本研究以阀门阀体(SS316L)的制造为重点 ， 进行了多项机械性能评估 ， 特别是室温/高温拉伸试验、疲劳试验和射线摄影试验 。 通过对热处理前后的机械性能进行评价 ， 分析了热处理对合金机械性能的影响 。 此外 ， 利用EBSD进行显微组织分析 ， 以评价增材制造的特性 。 为了制造实际尺寸的原型阀 ， 对阀件进行了相互组装 。 描述了原型制造的详细过程 。
实验材料及步骤
粉末和试样的化学成分见表1 。 主要元素组成为17.8% Cr、12.8% Ni、2.36% Mo ， 微量添加Mn、Si、P、S、n等元素 ， 均受Fe平衡控制 ， 碳含量小于0.02% 。 这对应于典型的SS316L成分 ， 并被确认在ASME SA-182 316L (UNS S31603)规范的范围内 。 粉末的尺寸在45-105um之间 ， 评估的平均尺寸为82.6 um 。 DMG MORI Lasertec 65 3D混合机床作为L-DED设备 ， 允许增材制造和内部数控加工在同一空间 。
表1 粉末和试样的化学成分 。
表2 L-DED工艺可变条件 。
表2为L-DED过程变量条件 。 激光功率为1000~2500 W ， 扫描速度为800~1500 mm/min 。 其中 ， 1800w和1000mm /min被认为是最优条件 ， 并用于制造机械试样和阀门原型 。 在试样的生产过程中 ， 这些条件的应用没有太大的变化 ， 只有激光功率略有降低或增加(小于10%) ， 这取决于试样表面的发热程度 。 在S45C基础块上添加制造SS316L粉末 ， 然后根据ASTM测试标准制造拉伸和疲劳试样 。 在这种情况下 ， 制造了阀体、阀盖和罐笼原型 。 拉伸试验按照ASTM E8进行 ， 疲劳试验按照ASTM E466-15进行 。
利用电子背散射衍射(EBSD)观察了晶粒形状和取向等微观结构特征 。 采用JSM-7200F作为高分辨率扫描电镜 。 EBSD采用EDAX辛烷值Elite模型 。 加速度电压为15kV ， 电流为5nA 。 采用常规机械抛光法制备试件 ， 最后用硅胶对试件表面进行抛光处理 。 通过从室温到450℃进行高温拉伸试验来评估机械强度的变化 。
通过疲劳试验 ， 测定了107次循环的疲劳极限应力 。 该阀由阀体、阀盖和保持架三部分组成 。 阀门零件的形状非常复杂 ， 尤其是阀体部分又大又重 。 为了制造形状复杂的阀门 ， L-DED技术利用五轴结合数控加工 。 通过对阀门样机制造过程的介绍 ， 验证了L-DED技术的商业适用性 。 通过与某商品铸件的射线检测结果对比 ， 证实了产品的完整性 。 个别制造的阀门部件采用焊接方式组装 。 钨极氩弧焊(GTAW)采用沉积焊坡口38mm ， 每道最大厚度 。 在99.997% Ar保护气体中 ， 流速为10~25L/min时 ， 最大通径温度为175℃ 。 结合电流(~200A)、电压(12V)和焊接速度(9~13cm/min)估算热输入为10~15kJ/cm 。
结果与讨论
图1为使用L-DED方法进行制造后机械性能评估的试件和阀门项目 。 图1(a)为垂直于激光扫描方向的扫描法线(SN)方向上高堆叠的圆柱形试样 。 为了评估机械性能 ， 这些试样分别是符合ASTM E8、E23和E466标准的拉伸和疲劳试样 。 当对这些试样进行拉伸和疲劳试验时 ， 发现应力集中在增材制造过程中形成的层间边界处 。 这导致了机械性能的下降 ， 从而导致整个试样的保守结果 。 在初步试验结果中 ， 对平行于激光扫描方向的平面和垂直于激光扫描方向的平面采集的试样进行室温拉伸试验结果进行检验时 ， 结果表明 ， 垂直面试样的抗拉强度下降了约7-8% 。 (平行于扫描方向的UTS: 582.3MPa;垂直扫描方向:542.7MPa) 。
图1 采用L-DED法制造后用于机械性能评估的试样和阀门项目：（a）垂直于激光扫描方向的扫描法向（SN）方向上叠高的圆柱形试样 。 （b）阀体 ， （c）阀盖和（d）采用L-DED法制造的阀笼 。
图1(b)、(c)和(d)对应地显示了采用L-DED方法制造的三个阀门部件的阀体、阀盖和保持架 。 由于其尺寸和重量 ， 图1(b)中的车身部件是最难制造的 ， 而图1(c)和(d)中的阀盖和保持架部件则相对容易制造 。 图2显示了增材制造产品的拉伸性能 。 所有拉伸试样的拉伸方向与结构方向一致 ， 垂直于激光扫描方向 。 图2(a)和(b)分别显示了根据温度评估屈服强度和抗拉强度的结果 。 通过对3个试样的对比 ， 验证了增材制造试样的高温热处理效果 。 比较了预制、1100℃溶液退火(SA) 1小时和1100℃1100棒热等静压(HIP)试样 。
图2 增材制造产品的拉伸性能:(a)屈服强度;(b)根据温度的拉伸强度结果 。
SS316L是一种低碳合金 ， 与SS316相比 ， 碳含量小于0.02% 。 因此 ， 固溶退火不是去除碳化物的强制性措施 ， 否则会削弱合金的机械性能 。 如图2所示 ， 屈服强度和拉伸强度均随温度逐渐降低 ， 可以看出 ， 在450°C和室温下 ， 强度分别降低了33%和15% 。 与竣工试样相比 ， SA试样显示出约15%的强度降低效应 ， HIP处理试样显示出与其他试样类似的强度降低 ， 尽管在图2（a）所示的100-250°C范围内强度没有变化 。 在图2（b）所示的抗拉强度评估结果中出现了类似的趋势 ， 尽管由于热等静压 ， 抗拉强度几乎没有变化 ， 可以看出 ， 只有1100°C高温热处理导致的强度降低 。 经过固溶退火和热等静压处理后 ， 试样的塑性略有变化 。 例如 ， 在室温下 ， 竣工试样的伸长率为35.43% ， 而固溶退火试样的伸长率为45.24% ， 热等静压试样的伸长率为40.39% 。
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