1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 增材制造
增材制造技术( Additive Manufacturing，AM) 是一种通过电脑辅助设计CAD模型生产具有一定结构和功能的零件的一种先进制造技术[1]，其集计算机科学、材料学、光学等学科于一体，也被称作快速原型技术 (Rapid prototying)、3D打印技术 (3D printing)等，被誉为“第三次工业革命”的核心技术[2]。与传统的减材制造的加工方式不同，增材制造技术采用的是添加材料的方式进行生产制造。该技术具有以下优势：
l 节约原材料，降低能耗，实现了环境的可持续发展；
l 能够生产小批量的产品，加工灵活性大；
l 能够满足医疗领域对特定产品的需求；
目前增材制造技术已经广泛的应用于航空航天、汽车、机械、生物医疗、艺术设计等领域。
1.2 增材制造技术的发展
在增材制造概念提出之前，人们广泛称该技术为快速原型技术[3]（Rapid Prototyping， RP)或者快速制造技术[4]（Rapid Manufacturing，RM）。随着时间的推移，人们开发出越来越多的快速原型制造工艺，这些研究进展的取得使人们现在能够生产出越来越小并且更加精密的零件，这也使得快速原型技术与快速制造有了更加紧密的联系。增材制造技术与快速原型技术和快速制造技术相比，它在更加通俗的意义上表明了此类先进制造技术的加工方式。自上个世纪八十年代开始，增材制造技术刚开始主要是用于制造产品模型。经过二十多年的发展，该技术已经成为一项世界范围内快速发展的先进制造技术。
Ciraud在1971年申请的专利易熔金属的层层组装制造技术被认为是增材制造技术的先驱[5]。1977年Housholder关于如何制造三维层状模型，提出了选择性激光烧结技术（SLS）[6]。只是由于强大计算机的缺乏以及激光系统的昂贵，该技术并未进行商业应用。随着3D打印机的出现以及相应粉状材料公司的引进3D打印系统，选择性激光烧结技术逐渐进入商业化。在1995年，专注于激光技术的德国弗劳恩霍夫研究所开始使用选择性激光熔覆技术，并申请了一项发明专利，在该领域为首创。
1.3 增材制造的分类
虽然增材制造工艺具有相同的制造理念，但不同的制造技术在材料的适用范围、处理工艺和应用领域具有其独特性。不同的制造工艺在获得具有高机械性能、显微组织可控的金属零件方面表现出了大的不同。
图1 根据激光-材料之间作用不同机理增材制造的分类
如图1所示，根据激光作用机理和冶金机理的不同，一般情况下，增材制造技术基本可以分为三类：激光烧结（Laser Sintering，LS)、激光熔化沉积（Laser Metal Deposition，LMD)和激光熔覆（Laser Melting，LM)。
1.3.1.1 激光烧结
激光烧结是一种典型的增材制造技术，通过层层铺上粉末材料然后进行激光烧结。激光烧结系统包括激光器、自动送粉装置、过程控制的计算机系统和一些附属机构。激光烧结的一般程序为：
l 将用于零件制造的基板固定在加工平台上；
l 向加工腔室内通入保护性气体以降低内部空气的含量；
l 使用铺粉装置在基板上铺一层疏松且厚度不超过100μm的粉末材料；
l 激光束根据CAD构建的零件模型对粉床上的粉末进行扫描以形成零件的剖面结构；
l 重复铺粉与激光扫描步骤，层层组装直至形成完整的零件。
在激光烧结中，激光扫描粉末的时间主要取决于激光的尺寸和扫描速率，一般控制在0.5~25ms之间。在这非常短暂的热循环之中，加工过程进行的非常迅速，所以固态烧结机制不再适用。在激光烧结中，粉末的快速凝固机制主要为熔化/凝固原理。
1.1.2.2激光熔化沉积
激光熔化沉积技术的加工方式与其他的增材制造加工方式类似，但不同点是激光熔化沉积是在进行激光扫描的同时进行同轴送粉。该技术通过一个送粉系统将粉末通过气体喷嘴进行送粉。激光束沿Z轴朝喷嘴中心方向照射，在喷嘴附近通过透镜对激光束进行聚焦。沿Z 轴方向进行移动喷嘴和透镜以调节聚焦的高度。通过计算机控制系统将被加工零件在x-y方向上进行移动， 以使得被加工区域处在激光和喷嘴的焦点处，形成零件。激光熔化沉积技术能够对复杂零件进行涂层、加工和修复,且具有很高的尺寸精度。
1.1.2.3激光熔覆
为了满足人们对具有较高致密度材料零件的要求，研究人员开发出了激光熔覆技术，这种技术生产的零件不仅机械性能与传统工艺生产的零件的大致相当，并且减少了后续的加工步骤，降低了生产周期[7]。激光熔覆与激光烧结具有相同的生产装置和生产流程。唯一的不同点是，金属粉末的激光熔融技术完全基于熔化/凝固机制。激光熔覆技术的出现是由于近年来在进行激光烧结时，不断提高激光工艺条件发现材料的微观结构和机械性能有了很大的提高。因此，在不需要烧结或者热等静压时，激光熔覆技术能够生产全致密的零件。
以上三种加工方式中，由于激光熔覆技术在金属零件生产的过程中，零件具有的高致密度、高表面精度、均匀的微观组织，使得该技术受到了科研人员的广泛关注。在研究过程中人们发现，该技术不仅适用于铁合金，同样适用于非铁合金。
1.1.3选择性激光熔覆技术
选择性激光熔覆技术（Selective laser melting，SLM)属于增材制造的其中一类。这种技术根据CAD模型通过固化连续的粉末层得到复杂的三维零件。自2000年以来，选择性激光熔覆技术得到了迅速的发展。2008年选择性激光熔覆制备的复杂铝合金材料通过了Fraunhofer ILT的标准。
1.1.3.1 技术优势
早期人们通过激光烧结对金属粉末进行烧结成形时发现，由于粉末的部分熔化造成材料具有很高的粘度，并发生一定的球化，限制了液态成型。与之相反，选择性激光熔覆技术通过将金属粉末全部融化，可以控制金属的密度，能够达到99.5%。事实上，选择性激光烧结技术具有很多的优点：
l 生产的零件具有高密度和高强度；
l 存在很少量的原料浪费（粉末可以回收利用）；
l 能够生产任意复杂的零件；
l 可用于多种金属材料及其混合物；
l 无需其他的粘结材料或者金属相，能够直接生产单一材质的零件而不是需要二次加工的复合零件。
1.1.3.2 加工方式
图2 选择性激光熔覆技术工作原理示意图
如图所示为选择性激光熔覆技术的工作示意图，在保护性气体的环境下，在金属基板上进行零件的加工。首先，现在金属基板上铺一层金属粉末，然后使用激光束从上部进行照射熔化粉末。激光束CAD根据分层实体模型进行扫描，在每一层扫描结束之后金属基板下降一层金属粉末的厚度，自动铺粉系统会进行铺粉，然后进行扫描，重复多次后形成金属零件。
1.1.3.3 金属材料方面的应用
有许多研究机构对选择性激光熔覆技术进行了深入的研究[8]。Niu 等人通过SLM技术制备出了M2高速钢[9]，A. Riemer等人制备出了316L不锈钢[10]。除了铁合金以外，还包括非铁合金如钛合金[11]、铝合金[7]、铜合金[12]以及贵金属金[13]等材料。
1.2不锈钢
1.2.1 使用不锈钢的意义
全世界每年因腐蚀而不能使用的金属件占产量的15%，其中2/3能回收，损失是相当大的[14]。腐蚀不仅消耗材料，而且也降低机械的精度，减少机械寿命，所以研究材料的腐蚀是具有很大的工程意义的。不锈钢是指一些在空气、水、盐水、酸、碱等腐蚀介质中具有高的化学稳定性的钢。国标GB/T 20878-2007定义为：以不锈、耐蚀作为主要特性，且铬含量至少为10.5%（质量分数，下同），碳含量最大不超过1.2%的钢。根据不锈钢的基本组织，可分为五大类（表1所示），且均具有不同的特点和应用（表2所示）。
表1 不锈钢种类及其化学成分表（GB/T 1221-2007）[15]
| 种类 | 常用材料牌号 | C | Si | Mn | P | Ni | Cr |
| 马氏体不锈钢 | 12Cr13 | 0.8~0.15 | 1.00 | 1.00 | 0.040 | （0.60） | 11.50~11.35 |
| 40Cr13 | 0.36~0.45 | 0.60 | 0.80 | 0.040 | （0.60） | 12~14 | |
| 奥氏体不锈钢 | 06Cr19Ni10 | 0.08 | 1.00 | 2.00 | 0.045 | 8~11 | 18~20 |
| 06Cr18Ni11Ti | 0.08 | 1.00 | 2.00 | 0.045 | 9~12 | 17~19 | |
| 铁素体不锈钢 | 06Cr13Al | 0.08 | 1.00 | 1.00 | 0.040 | （0.60） | 11.5~14.5 |
| 10Cr17 | 0.12 | 1.00 | 1.00 | 0.04 | 0.75 | 16~18 | |
| 双相不锈钢 | 12Cr21Ni5Ti | 0.09~0.14 | 0.8 | 0.8 | 0.035 | 0.030 | 20~22 |
| 沉淀硬化不锈钢 | 05Cr17Ni7Al | 0.09 | 1.00 | 1.00 | 0.040 | 0.030 | 14~16 |
表2 不同种类不锈钢的特点和应用[16]
| 种类 | 特点 | 应用 |
| 马氏体不锈钢 | 具有抗水等腐蚀介质能力，多在淬-回火强化态使用 | 用于耐蚀的结构件和工具 |
| 奥氏体不锈钢 | 具有抗酸等强腐蚀介质能力，塑韧性好，有晶界腐蚀倾向，固溶处理、稳定化处理等 | 应用广泛、用量最大 |
| 铁素体不锈钢 | 具有抗氧化性腐蚀介质的能力，脆性大，多在退火态下使用 | 广泛用于硝酸、化肥工业 |
| 双相不锈钢 | 奥氏体 铁素体具有抗应力腐蚀和晶界腐蚀能力；奥氏体 马氏体强度高；调节两相比例可改变性能 | 尿素等工业，航空航天工业 |
| 沉淀硬化不锈钢 | 具有良好的耐蚀性和焊接性，并且强韧性合理配合；多在固溶处理后使用 | 高强度结构件和压力容器等 |
1.2.2不锈钢的工艺
1.2.2.1传统的生产工艺
大多数钢厂的工艺路线主要取决于合金废钢的可获得性。目前不锈钢的冶炼技术，大体可分为两种方法，即两步法、三步法。采用两步法的占70%以上，包括电弧炉 氩氧脱碳（EAF AOD）、电弧炉 真空吹氧脱碳(EAF VOD)等。近年来由德马克公司发展的三步法冶炼工艺，即初炼炉—转炉—真空吹氧脱碳已被一些厂家采用。三步法的工艺优势在于:Ar耗量低(1-3 Nm3/t)，还原铁合金用量少，转炉炉衬寿命长，生产节奏利于和连铸匹配。生产成本大约可降低约18美元/吨[17]。此外，采用转炉并以铁水为主要原料的不锈钢冶炼工艺，是当今的一项重要技术进步，其中日本川崎千叶厂最具代表性。
目前世界上现行的六种工艺流程：（以废钢为主原料）
l 电炉 真空吹氧脱碳，合金废钢
l 电炉 底吹纯氧脱碳或氩氧脱碳
l 电炉 底吹搅拌 真空吹氧脱碳，以铁水为主要原料
l 铁水（脱P) 电炉 转炉，液态合金炉料
l 铁水（脱P) 真空吹氧脱碳.Cr矿石，固态合金，无电炉
l 电炉 铁水（脱P) 转炉（液态铁铬合金脱Si)(真空吹氧脱碳)
1.2.2.2 选择性激光熔覆技术
如前文1.1增材制造中所述，选择性激光熔覆技术在金属材料的生产方面具有很大的优势。事实上，有很多研究人员对选择性激光熔覆技术制备不锈钢材料进行了深入的研究。K. Abd-Elghany等人通过该技术制备出了304L不锈钢[18]，并研究了该生产技术的尺寸精度以及扫描速率和层厚度对材料密度和孔隙率的影响。人们在通过选择性激光熔覆制备316L不锈钢方面研究已经非常成熟。A. Riemer等人制备出了316L不锈钢[10]，并且对其进行了高周疲劳和低周疲劳进行了测试，发现这种方式制备出来的316L不锈钢的疲劳性能与传统工艺制备出来的材料相当。Sanjay Kumar等人通过激光熔覆和激光烧结分别制备出了316L不锈钢并通过微动磨损测试对其进行耐磨性的比较[19]。L. Hao等人将316L不锈钢与羟基磷灰石通过激光熔覆得到复合材料，并进行了一系列的生物相容性的测试[20]。
选择性激光熔覆技术由于其增材制造的独特优势，在不锈钢的生产中具有很大的潜力。但该技术也存在一定的弊端，如致密性差、机械性能达不到工业生产的要求等等。对于此，科研人员也做了相关研究。Xiao Zhao等人对激光熔覆制备的试样进行研究时发现，在制备的过程中存在严重的C烧蚀现象，C元素从0.38%下降至0.2%，进而对其耐蚀性和各类机械性能存在很大影响[21]。对比国内外的各类元素烧蚀机制的研究发现，C元素烧蚀机制很复杂，是传热、传质和化学反应的复杂过程，由动力学控制机制和扩散控制机制。其中氧元素的含量、材料的膨胀系数和导热性、瑞利不稳定性、熔融态金属的润湿性和流动性、制造过程中碳元素存在的形态与活性等均可能影响C元素的烧蚀。基于此，我们将研究重点放在该技术制备40Cr13不锈钢过程中C元素烧蚀机制，提出其可能存在的烧蚀机制。2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：以40cr13不锈钢为客体材料，利用选择性激光熔覆技术制备拉伸试样及用以观察金相的试样；
材料表征：利用xps、xrd、epma等技术研究新鲜断口的元素分布及相成分，研究新鲜断口的表面形貌，综合相图等热力学手段给出断裂机制的解释。
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4-8周：按照设计方案，制备40cr13不锈钢样品。
第9-12周：采用xrd、xps万能试验机等测试技术及设备对40cr13不锈钢试样的物相、显微结构、力学性能进行测试。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 郭志飞, 张., 增材制造技术的研究现状及其发展趋势. 机床与液压, 2015. 43(5): p. 148-151.
[2] 石海威, 3d打印：第三次工业革命. 中国科技投资, 2013. 9: p. 106-107.
[3] evy, g.n., ralf schindel, and jean-pierre kruth, rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (lm) technologies, state of the art and future perspectives. cirp annals-manufacturing technology, 2003. 52(2): p. 589-609.
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