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背景简介

316L由于其出色的力学性能和较低的生产成本，在农业食品和核工业中大量使用。近些年来迅猛发展的增材制造（AM）工艺能够实现拓扑优化和微观结构定制，从而优化材料的使用。然而，由于加工方式的不同，AM 316L在结构和性能上都会和传统材料有所区别，同样，后续的热处理也会改变材料的结构，因此，特定的微观结构特征需要和宏观性能对应起来。本文采用加工后热处理的方式来改变LPBF 316L微观结构，将多尺度的微观结构和性能结合起来，分析各个微观结构的变化以及与材料强度的联系。

成果介绍

（1）本文对在500-1200℃范围内进行了两个小时热处理的LPBF 316L样品进行了微观及纳米尺度的表征，并测试了拉伸性能。图1是打印态下LPBF 316L的微观结构表征，用于与热处理后样品进行对比。材料在多晶尺度表现出熔池、面心立方单相结构和柱状晶粒（图1a，b和c），在微观尺度表现出偏析以及位错网络（图1d和e），在纳米尺度上观察到纳米氧化物颗粒（图1f和g）。

图1 打印态LPBF 316L从多晶到纳米尺度的微观结构

（2）本文分析了热处理对微观结构的影响。在多晶尺度上，激光路径在800℃下可以保持热稳定，晶界在1200℃-2h处理后仍然保持不变，没有再结晶现象和孪晶出现。在微观尺度上，位错胞元素偏析在700-850℃之间开始消失，在该温度区间，Cr/Mo元素通过扩散富集到晶界的σ析出相上（图2），1200℃热处理后，元素均匀分布。而位错网络在600℃下基本不变，在600-900℃时，胞壁厚度降低，位错密度降低，温度大于900℃时，残余位错以及位错网络消失（图3）。在纳米尺度上，纳米氧化物的平均尺寸随着热处理温度的升高而增大，且整体形状从圆形转变为多边形（图4）。

图2 热处理后晶界上富Cr和富Mo的析出相

图3 （a，c）500℃，（b，d）650℃，（e）900℃和（f）1200℃在2h热处理后的位错网络结构

图4 （a）打印态，（b）500℃，（c）650℃，（d）900℃和（e）1200℃热处理后纳米氧化物的变化

（3）对热处理后微观结构和拉伸性能之间的关系（图5）进行分析。在打印态和500℃时，应变硬化程度较低。500℃的热处理并不能显著改善应变硬化能力，这与位错胞的演化是一致的，即位错密度没有变化。在600-800℃之间，应变硬化能力急剧增加，这对应于位错胞壁中位错密度的急剧下降。在900-1200℃之间，应变硬化能力是恒定的，显微组织中仅残留少量位错，位错的消失并没有改变应变硬化能力。值得关注的是，与大部分文献报道的相反，σ相在晶界上的析出并没有导致延伸率的降低。

图5 LPBF 316L打印态和不同温度热处理后的（a）拉伸曲线，（b）屈服强度，极限抗拉强度，均匀延伸率和断后延伸率，（c）应变硬化指数

本文通讯作者：Anis Hor（ICA, Université de Toulouse, CNRS, ISAE-SUPAERO, 3 rue Caroline Aigle, 31400 Toulouse, France）。