哈工大领衔三校合发——异质金属316L/18Ni300激光沉积工艺优化+热处理提升抗腐蚀性

启明增材制造

2026-09-07

[启明增材制造]该研究为增材制造双金属部件在腐蚀环境中的工艺选择和热处理设计提供了重要参考。具有优异韧性和耐腐蚀性能的316L与超高强度的18Ni300异质金属具有广阔的应用场景。近日，哈尔滨工业大学（深圳）、新加坡国立大学、宁波大学的科研人员系统地研究了激光粉末床熔化316L/18Ni300双金属材料的打印参数与热处理工艺对提高强度与耐腐蚀性的影响。

01
316L/18Ni300功能梯度打印

实验以LPBF成形316L不锈钢为基体，通过在其上连续打印18Ni300马氏体时效钢来制备多材料部件。除界面区域外，非界面区域统一采用下表所列参数进行打印。针对关键的界面区域，两层结构分别采用I、II、III三种不同方案进行工艺调控，具体通过改变激光功率（140W、170W、200W）、扫描速度（300mm/s、450mm/s、600mm/s）及重熔次数（0次、1次、3次），以此来探究上述参数变化对界面结合质量的影响。

图1 LPB Fed 316L/18Ni300多材料零件示意图及其参数说明

02
316L/18Ni300打印件热处理

未经热处理的试样标记为“制造态(AB)”；经940°C保温2小时后空冷的试样标记为 ‌“固溶处理(ST) ”；另一组采用两步热处理：940°C保温2小时空冷，再经490°C保温6小时后空冷，标记为 ‌“固溶+时效处理(SAT)”；仅经490°C保温6小时空冷的试样标记为 ‌“时效处理(DAT) ”。

图2 （a)LPBF 316L/18Ni300多材料零件的热处理工艺，（b）腐蚀试验的取样位置

界面结合质量与腐蚀行为

图3 OM图像显示了界面处不同工艺参数下LPBFed 316L/18Ni300多材料零件的孔隙分布情况

常规工艺参数下，试样表现出较高的孔隙率。调节激光功率虽能引起孔隙率变化，但对改善界面区结合质量。相较之下，在优化参数基础上进行单次重熔处理，可获得最优异的冶金结合效果，此时孔隙率处于最低水平，同时大尺寸孔洞缺陷也显著减少。若重熔次数增至多次，由于热量持续累积，反而容易诱发匙孔缺陷。

图4 不同界面工艺参数下LPBF熔覆316L/18Ni300多材料零件的典型显微组织

研究表明，单材料优化参数下的工艺窗口对多材料界面并不适用，其主要原因是诱发孔洞与夹杂；而单项改变激光功率或扫描速度也改变不大。实验通过在前沉积层有意单次重熔，在原有优化参数基础上，由LPBF成形的316L/18Ni300异种材料界面获得理想的冶金结合状态。

图5 3.5wt%NaCl溶液中多材料界面的腐蚀形态（a，a1）不重熔（b，b1）重熔一次（c，c1）重熔3次

腐蚀实验表明，缺陷的存在显著恶化了耐蚀性能。未熔合夹杂处优先发生点蚀，随后发展为裂纹；孔洞经腐蚀后深度减小，但其边缘裂纹扩展明显。同时，无缺陷试样亦未能完全避免局部腐蚀，其形成窄浅沟槽，轨迹恰与熔池边界对应，且主要分布于马氏体时效钢侧。这一系列现象主要原因是界面两侧材料性能差异，导致多材料部件的腐蚀行为难以用单一机制解释。

04
热处理对微观结构演化及硬度影响

图6 LPB Fed 316L/18Ni300多材料样品在（a-a2）AB、（b）DAT、（c）ST和（d）SAT状态下的典型SEM界面微观结构

图7 EPMA获得的AB（a，a1）、DAT（b，b1）、ST（c，c1）和SAT（d，d1）多材料样品界面区域中的铬和钼元素分布

图8 多材料BCC（α-Fe相）的IPF颜色映射和粒度分布：（a，a1，a2）AB样品，（b，b1，b2）DAT样品，（c，c1，c2）ST样品和（d，d1，d2）SAT样品。

固溶处理有助于减少界面区域及马氏体时效钢侧的马氏体-奥氏体相界，并促进马氏体晶粒生长；而时效热处理则导致界面区域和马氏体时效钢侧形成大量奥氏体。两种处理均促进铬（Cr）元素扩散，但直接时效会加剧钼（Mo）元素的偏析。

图9 （a）AB、（b）DAT、（c）ST和（d）SAT多材料样品界面区域的显微硬度分布。

界面区的显微硬度从316L侧向马氏体时效钢侧逐渐升高，表明界面过渡区的形成。

该趋势在DAT（直接时效处理）和SAT（固溶+时效处理）样品中尤为显著，其硬度增幅更大，这归因于时效处理中纳米级颗粒的形成。

在AB（沉积态）样品中，316L侧附近亦观察到显微硬度微增区域，可能源于界面异质材料分布不均。

无论是否进行先期固溶处理，时效处理后马氏体时效钢侧显微硬度均从~438.0 HV升至~732.0 HV。然而经ST（固溶处理）后，316L不锈钢侧显微硬度从~239.0 HV降至~203.5 HV，马氏体时效钢侧从~438.0 HV降至~391.0 HV。该现象一方面可能源于固溶处理过程中残余应力的释放，另一方面可归因于热处理高温下打印过程中形成的胞状组织发生溶解。上述分析表明，316L不锈钢/18Ni300马氏体时效钢多材料构件可同时具备高强度与高塑性组分，且其强度可通过热处理进一步增强。

热处理后腐蚀行为研究

热处理后样品整体腐蚀行为由马氏体时效钢主导，呈现单一马氏体特征，无钝化区；316L不锈钢腐蚀电流密度最低（0.3±0.12 μA/cm²），归因于Cr元素形成的钝化膜；多材料AB态因电偶腐蚀电流密度（10.5 μA/cm²）高于单材料马氏体时效钢（7.2 μA/cm²）；ST样品腐蚀电位最高（-434mV），耐蚀性优于AB态，DAT/SAT样品耐蚀性下降：纳米颗粒析出、Mo偏析及相界面增多诱发腐蚀；ST处理通过元素扩散提升均匀性，降低腐蚀电流密度。