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选择性激光熔化（SLM）316L不锈钢因熔池边界（MPBs）和孔隙导致机械各向异性，通过3分钟快速溶液处理（URST）在900℃和1140℃实现性能优化：前者通过MPBs溶解和孔隙球化提升塑性（水平试件总延伸率达68.0%），后者结合静态再结晶和MPBs溶解消除各向异性，使屈服强度各向异性从45.21%降至2.68%，满足ASTM准各向同性标准（≤3%）。
何丽华|秦家伟|娄博凯|朱泽飞|倪静|胡晓萍|曹伟
杭州电子科技大学机械工程学院，中国杭州
摘要
选择性激光熔化（SLM）316L不锈钢严重的机械各向异性源于不均匀的熔池边界（MPBs）和孔隙缺陷，这限制了其在承重航空航天部件中的应用。本研究提出了一种超快速（3分钟）固溶处理（URST）方法，有效缓解了这种各向异性。URST工艺实现了特定的性能目标：在900°C时，通过部分MPBs的溶解和孔隙球化，材料的延展性得到最大化（水平试样总伸长率达到68.0%）；而在1140°C时，重点转向实现准各向同性。在1140°C下，静态再结晶和MPBs溶解的耦合过程被激活。热能释放储存的能量，驱动再结晶，同时高温扩散消除了MPBs。这些协同效应使得微观结构变得均匀，晶粒生长限制在6.57%以内。URST将屈服强度（YS）的各向异性从45.21%降低到2.68%，符合ASTM E2448–20标准（变化小于3%）。从机制上讲，孔隙取向角（θ）决定了断裂模式：θ≈90°的孔隙作为应力集中点，促进脆性断裂；而θ=0°-67°的取向则有助于塑性减弱，提高韧性。通过阐明MPBs溶解和孔隙形态优化的机制，本研究确立了URST作为一种高效、可扩展的后处理方法，能够精确控制微观结构的均匀性，同时抑制晶粒粗化，从而制备出各向同性的航空航天级SLM 316L部件。
引言
选择性激光熔化（SLM）技术使得制造出复杂的几何形状部件成为可能，适用于航空航天和核领域。然而，实际制成的部件通常存在明显的机械各向异性，这是由于熔池边界（MPBs）和孔隙缺陷所致[1]。奥氏体316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性、生物相容性和平衡的机械性能而成为SLM的理想材料[2]。然而，其断裂韧性和各向异性仍然是其应用于高要求结构时的关键限制因素。
SLM 316L的机械各向异性源于工艺参数、分层制造特性、熔池动态以及超快速凝固（10^6–10^8 K/s）[3][4]的相互作用。这些因素共同影响了孔隙率、残余应力和亚结构的形成，从而降低了机械性能。具体而言，MPBs和孔隙作为应力集中点，促进了脆性断裂的发生；而倾斜的几何形状通过热梯度效应加剧了各向异性[5]。
几何形状对各向异性的影响已有大量研究报道，但解释结果并不一致。例如，Zhang等人[6]发现倾斜角度<30°时孔隙率增加（>4%），而Murchio等人[7]和Sombatmai等人[8]在类似条件下观察到孔隙率降低，归因于层间熔合增强。水平方向制造的部件通常形成椭圆形截面，其抗拉强度比垂直方向制造的部件低约30%[9][10]。此外，垂直排列的MPBs会因裂纹沿熔池界面的优先扩展而使断裂韧性降低多达40%[9]。定量研究表明，水平方向的屈服强度（YS）和延展性通常比垂直方向高约10%[10][11]。这些发现强调了理解几何、热和微观结构因素之间多尺度耦合关系的必要性。
尽管有这些认识，大多数研究仍然孤立地考察工艺-结构-性能之间的关系[12][13]。最近的研究强调了需要采用综合的多尺度方法，结合熔池动态模拟[14][15]、微观结构演变和机械响应建模[16][17]。工艺优化策略（如能量密度调节和支持结构设计）以及后处理技术至关重要。在各种后处理技术中，固溶处理通过高温扩散和相变促进微观结构均匀化，特别有助于提高韧性并减少各向异性[18]。
然而，传统的固溶处理（≥1小时）往往会导致晶粒过度粗化，限制了其在薄壁航空航天部件中的应用，因为这些部件对尺寸稳定性要求极高。SLM 316L中的高位错密度（约10^15–10^16 m^-2）[19][20]以及以低角度晶界（LAGBs）为主的亚结构严重阻碍了位错运动[21][22]，并且这种状况在各种工艺条件下都存在[23][24]。随着热处理温度的升高，晶粒生长和YS下降成为不可避免的现象[25]。例如，Pegues等人[26]表明，400°C下的应力释放可以提高疲劳抗力，但1040°C下进行1小时的固溶退火会降低疲劳抗力。以往的研究大多关注孤立效应，如应力释放和晶粒细化[27][28]，而没有解决MPBs溶解、再结晶和孔隙演变的耦合机制[29][30]；尽管最近的一些建模工作开始尝试解决这些复杂性[31]。
然而，超快速热循环过程中MPBs溶解、再结晶和孔隙演变的耦合动力学尚未完全理解。此外，迫切需要一种能够在工业可行的时间范围内（几分钟而非几小时）实现微观结构均匀化和各向异性缓解的后处理策略，并且不会导致显著的晶粒生长。本研究通过引入超快速固溶处理（URST）来填补这些空白，并阐明了其控制SLM 316L不锈钢微观结构和机械各向异性的多尺度机制。
为了解决这些挑战，我们开发了一种超快速固溶处理（URST）方法。URST在短短3分钟内实现了微观结构的均匀化和各向异性的缓解——比传统的1–2小时处理快几个数量级——同时有效抑制了晶粒过度生长。虽然通过工艺优化最小化孔隙率也是一个并行目标，但本研究重点关注消除各向异性这一关键问题——即使在孔隙率可接受的部件中，这种各向异性也是有害的——通过一种可扩展的后处理方法来实现。因此，本研究提出了一种高性能增材制造的后处理策略，有效平衡了加工效率、微观结构控制和机械各向同性。
部分内容摘录
SLM中的缺陷形成机制
如图1(a)所示，SLM系统包括四个关键子系统：激光扫描单元、粉末输送机制、惰性气体保护模块和原位过程监控系统。扫描单元将高能激光束导向预沉积的金属粉末，选择性熔化形成微米级的瞬态熔池。粉末输送系统通过垂直驱动的建造平台逐层供应材料，而再涂层机制确保了均匀性
样品制备
本研究使用了市售的气雾化316L不锈钢粉末（南通金源智能科技有限公司生产），符合ASTM A240M化学成分标准（表1）。该粉末通过真空气雾化工艺制备，粒径范围为15至53微米，球形度≥85%，堆积密度≥4.5 g/cm3，氧含量低于600 ppm。激光衍射分析显示其粒径分布的D??为18.12微米。
固溶处理对机械性能和各向异性的影响
图4和图5定量评估了水平和垂直方向制造的SLM 316L不锈钢的拉伸性能，展示了necking前后的应变硬化特性。在恒定应变率0.0025 s^-1的情况下，无论是否经过固溶处理，水平方向制造的样品均表现出更好的延展性。具体来说，在原始样品中，总伸长率（TE）和均匀性
结论
本研究系统地阐明了URST如何通过多尺度机制控制SLM 316L不锈钢的孔隙率、微观结构和机械各向异性。主要发现如下：
•机械各向异性缓解：在1140°C下进行3分钟的URST处理有效降低了机械各向异性，UTS和YS的各向异性指数分别从38.07%和45.21%降至6.44%和2.68%。从而实现了准各向同性的机械行为（强度变化≤7%）
作者贡献声明
何丽华：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。秦家伟：撰写——初稿撰写、方法学设计、实验研究、概念构思。娄博凯：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。朱泽飞：撰写——审稿与编辑、验证、监督。倪静：撰写——审稿与编辑、验证、监督。胡晓萍：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取。曹伟：撰写——审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号LD24E050004）和国家重点研发计划（项目编号2024YFF0619203和2022YFB3401901）的财政支持。
