瓦妮莎·塞里亚科皮（Vanessa Seriacopi）、阿达尔托·德·法里亚斯（Adalto de Farias）、埃德·C·博迪纳西（Éd C. Bordinassi）、马塞洛·O·桑托斯（Marcelo O. Santos）、埃里卡·F·普拉多斯（Erika F. Prados）、威尔逊·C·S·朱尼奥尔（Wilson C.S. Júnior）、罗伯托·M·索萨（Roberto M. Souza）、伊莎贝尔·F·马查多（Izabel F. Machado）
毛阿理工学院（Maua Institute of Technology），机械工程系，毛阿广场1号（Praça Mauá），圣卡埃塔诺杜苏尔（São Caetano do Sul），SP，09580-900，巴西
**摘要**
系统研究了表面孔隙率对AISI 316L奥氏体不锈钢划痕响应的影响，这些材料分别通过激光粉末床熔融（LPBF）、火花等离子烧结（SPS）和传统轧制工艺制备。结合微观结构和孔隙率表征，使用10微米金刚石压头在20、40和70毫牛的正常载荷下进行了纳米压痕、显微硬度测量以及微观划痕测试。通过扫描探针显微镜（SPM）和光学干涉测量技术分析了划痕后的表面形貌，并开发了一个全面的有限元（FE）模型来模拟微观划痕过程。研究结果表明，表面孔隙率对材料的机械性能、变形机制、摩擦响应、穿透深度、去除材料体积和比能量有显著影响。从犁切到切割的转变与比能量的降低相关，而局部孔隙效应在划痕路径上尤为明显。在较低的正常载荷下，粘附现象、划痕宽度的变化以及晶体取向依赖性行为变得尤为突出。虽然E/H比率可以提供一些关于切割倾向的指示，但结合相对密度（RD）和H/E的指数能更好地区分接触压力和比能量的变化趋势。计算模拟有助于创建摩擦系数、去除体积、塑性应变和应力三轴性的综合图谱，从而加强了理解孔隙率如何控制摩擦学性能的实验-计算框架。该方法为表面工程应用提供了可靠的数据基础，所得参数图谱有助于理解和优化多孔表面，可扩展到生物材料和过滤组件等相关领域。
**引言**
孔隙率在各种金属材料的领域中起着重要作用——如生物材料、生物化学、汽车工程和电子学——因为它改变了材料的机械行为，并促进了优化结构和表面的发展。尽管具有这些优势，但在控制制造工艺参数及其产生的机械性能和各向异性方面仍存在挑战，因为孔隙率可能在疲劳和耐磨应用中充当应力集中器。关于孔隙率的影响，Kan等人[1]进行了一项全面综述，重点研究了316L不锈钢和Ti6Al4V合金在滑动磨损、空化以及侵蚀-腐蚀条件下的摩擦学行为，并比较了潜在的负面影响和正面影响。负面影响包括由于界面接触面积减少而导致的摩擦和接触压力增加、裂纹的萌生和扩展以及局部塑性变形，这些都会影响磨损机制。相反，表面孔隙的存在可以改善耐磨表面，因为碎屑可能被捕获并压缩在孔隙内，或者由于孔隙闭合导致局部硬度增加。在表面工程方面，根据文献[2]，金属的增材制造（AM）能够制造出具有定制微观结构、表面性能和机械性能的组件，这对生物医学应用具有特殊优势。奥氏体316L不锈钢因其生物相容性和耐腐蚀性而被广泛用于植入物，但其耐磨性和损伤仍然是重要挑战。AM 316L的摩擦学行为和表面性能取决于工艺参数、孔隙率、环境条件以及后处理工艺。AM 316L独特的纳米级晶粒结构和高位错密度使其比传统316L具有更好的耐磨性。激光功率、扫描速度、刻痕间距和热输入控制着微观结构和表面孔隙率，从而影响磨损率和摩擦力。低载荷下，各向异性微观结构较为敏感；而高载荷则会导致晶粒结构破坏和表面粗糙度增加。在干滑动条件下，磨料磨损占主导地位；高载荷下则转变为粘附磨损和氧化磨损机制。孔隙可以捕获磨损碎屑，在特定条件下偶尔会降低磨损率。
针对使用LPBF（激光粉末床熔融）的增材制造工艺，文献[3]、[4]、[5]、[6]强调了整合工艺参数（如原料质量、粉末层厚度、激光功率、扫描方向和速度、曝光时间、体积能量密度、刻痕策略等）的重要性，需要对这些因素进行统计分析以评估表面孔隙率的影响。因此，可能会形成具有不同孔隙率水平的微观结构，这些结构受热梯度和分布、残余应力以及增材制造过程中表面光洁度差异的影响。这些方面推动了针对复杂几何形状和定制设计的摩擦系统的影响的持续研究和调查。此外，LPBF通过在高热梯度和快速冷却下形成的微观结构，有可能生产出具有优异机械性能的功能性金属部件。然而，这种优势可能会因致密化而减弱。Barrionuevo等人[7]使用不同激光功率和扫描速度组合通过LPBF制备了孔隙率从1.7%到9.1%的医用级316L不锈钢样品，并在干滑动条件下使用销盘测试（pin-on-disc test）评估了其摩擦学性能。结果还表明，较高的孔隙率可以降低磨损率，因为孔隙可以捕获磨损碎屑并促进三体磨损。Li等人[8]报告称，LPBF中的孔隙率梯度（从高到低）是一种有效的设计策略，可以提高材料的载荷响应，从而增强机械强度。此外，作者还研究了通过选择性激光熔化（SLM）制造的AISI 316L钢的行为，发现扫描速度是影响孔隙形成的关键因素，这会影响熔池的大小并显著影响材料的密度和拉伸试验性能。
关于压力辅助烧结（SPS）工艺，Boidi等人[9]基于对烧结工艺参数（如压力、温度和加热冷却速率）的系统性研究和关键评估，评估了如何设计孔隙率。此外，加热速率、电场分布和热梯度的影响也被报道为制造多孔结构的重要因素，这些结构在生物材料、热电材料、传感器和燃料电池等技术领域具有应用前景[10]。González-Sánchez等人[11]研究了SPS工艺在植入物材料中的应用，并分析了孔隙形状和尺寸，建议改进工艺控制以实现更好的刚性条件，指出弹性模量往往偏离人体骨骼的目标值。Cano Ordoñez[12]展示了SPS工艺在开发具有不同摩擦和磨损响应的金属和复合材料中的重要性，建立了由摩擦膜形成、增强颗粒和孔隙决定的通用摩擦学行为图谱。Peruzzo等人[13]和Serafini等人[14]还对通过传统粉末冶金制造的奥氏体不锈钢进行了孔隙控制程序和表征研究，滑动磨损和微磨损测试的结果显示了不锈钢的弹塑性行为和抗材料去除能力的比较。
结合LPBF增材制造和SPS烧结两种制造工艺的信息，文献[15]中的一个案例研究表明，增材制造得到的微观结构通常比SPS制造的结构更均匀且孔隙率更低。例如，这种差异导致后者的点蚀抗性降低，这是由于孔隙连通性和相关表面形态在腐蚀环境中的影响。此外，Tahanzadeh等人[16]使用Rockwell C压头和20牛的正常载荷，评估了通过粉末冶金单轴压制生产的两种AISI 316L钢的划痕测试响应。作者观察到，高密度材料（600 MPa）表现出较低的穿透深度和较低的摩擦系数。相比之下，600 MPa下材料在划痕过程中耗散的能量更高。这种行为归因于塑性变形的增强和材料去除的减少。尽管在这些条件下主要的磨损机制是犁切，但在多孔样品中观察到了一些局部向微切割的转变，这归因于不规则的孔隙分布。Ordoñez等人[17]分析了在850°C（高表面孔隙率）和1000°C（低表面孔隙率）下通过SPS烧结处理的316L钢。样品在5牛和10牛的正常载荷下使用相同Rockwell C几何形状的压头进行了划痕测试。通过这种方法，作者发现孔隙较少的样品表现出较少的材料去除，伴随着明显的塑性变形和增加的位错密度，这促进了更大的堆积形成。此外，孔隙倾向于充当应力集中器，例如促进裂纹的萌生。
研究和提高对表面孔隙率影响的理解的一个动机在于生物工程领域。尽管文献中的两项研究的相对密度范围高于通常与多孔316L生物材料相关的范围，但它们仍远低于传统粉末冶金加工（[19]）和选择性激光烧结（SLS）[20]通常报告的相对密度值（分别为30%至50%和50%至60%）。这一事实并不否定这些研究的相关性；相反，它们可能为理解这些应用中的表面孔隙行为提供基础。因此，本工作的动机在于表面工程应用，旨在通过解决划痕测试过程中孔隙的局部效应来为文献做出贡献。特别是，它提供了关于摩擦学响应、变形机制和相关三轴应力状态的见解——这些主题在现有文献中尚未得到充分讨论。在这种情况下，使用有限元方法（FEM）进行计算模拟是评估应力、塑性变形、应力三轴性和比能量的重要工具，例如，用于研究孔隙率对摩擦学系统的影响。关于孔隙率影响的应力和应变场分布，Wilson-Heid和Beese[21]发现，在带有缺口试样的AISI 316L钢的拉伸试验中，失效应变取决于三轴应力状态，直到达到一个临界孔径（截面积的4%）。超过这个临界孔径后，失效应变与孔隙的三轴性无关（≥截面积的9%）。类似地，Furton等人[22]对Ti6Al4V合金也得出了类似结论，指出材料的延展性（通过伸长率测量）受孔隙率的影响大于抗拉强度。此外，还对NbC进行了基于实验和FEM的微观磨损研究，以评估致密化对其机械性能和摩擦学响应的影响[23]。观察到孔隙率水平影响弹性模量：更致密的材料表现出更高的弹性模量。此外，弹性模量与硬度（E/H）之间的关系直接影响表观摩擦系数和划痕循环引起的微磨损。另一项关于摩擦学表征的研究[24]表明，孔隙可能提高承载能力（接触压力分布），孔隙闭合发生在磨损轨迹上。在这个框架中可以考虑从犁切（塑性变形）到切割（材料去除）的磨损和磨料机制，这一考虑基于研究小组之前的研究[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。
基于这一背景，并以提升表面性能为目标，强调其对生物医学设计、经历微观磨料机制的机械和能源组件的相关性，并解决当前涉及AM/SPS材料的微磨料颗粒效应研究中的空白，本研究旨在评估和表征通过DMLS（直接金属激光烧结）、LPBF（激光粉末床熔融）工艺和SPS烧结生产的AISI 316L不锈钢的微观结构对其机械性能和划痕测试期间摩擦学性能的影响。每种制造工艺产生的表面孔隙率的影响是本分析的主要焦点。此外，为了建立比较本研究中考察的机械性能和摩擦学性能（例如，表观摩擦系数、材料去除量、比能耗以及磨损机制表征响应）的参考标准，采用了轧制状态的AISI 316L材料。
**AISI 316L样品的分配：制造工艺**
本研究重点关注通过不同制造工艺获得的AISI 316L奥氏体不锈钢：轧制状态（参考样品）、SPS烧结（两种不同的烧结温度）以及增材制造（两种不同的激光功率）。因此，参考样品是通过传统的轧制工艺在退火状态下获得的，且表面没有孔隙。AISI 316L钢材以25.4毫米厚的板材形式从市场上采购。随后，将样品切割成所需的尺寸。
**316L钢材样品的微观结构、表面孔隙率及相组成的表征**
图2展示了轧制、SPS烧结以及DMLS增材制造得到的AISI 316L钢材试样的光学显微照片。与SPS_1000°C样品相比，SPS_1100°C样品的孔隙更粗且更明显。相比之下，增材制造样品的孔隙率较低，这是通过阿基米德原理测量的。在通过传统工艺制造的AISI 316L钢材显微照片中可以观察到奥氏体晶粒和轧制方向。
**结论与最终评论**
本研究开发了一种实验-数值方法，用于评估表面孔隙率对通过SPS烧结、LPBF增材制造和传统轧制工艺生产的AISI 316L不锈钢的机械性能、微观结构和摩擦学性能的影响。结果表明，表面孔隙率显著影响了微观尺度上的磨损机制，进而影响了磨损深度、划痕轨迹的几何特征、摩擦响应、去除的体积以及比能耗。
**作者贡献声明**
Vanessa Seriacopi：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Adalto de Farias：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。
Éd C. Bordinassi：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。
Marcelo O. Santos：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。
Erika F. Prados：撰写 – 审稿与编辑。
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
**致谢**
作者感谢FAPESP（项目编号：2020/10653-5和2020/09163-3）、CNPq以及Maua技术学院提供的财务支持。同时，特别感谢来自巴西IPEN-SP的Rene R. de Oliveira教授在孔隙率和额外XRD测量方面提供的宝贵帮助；感谢来自Brats的Daniel Rodrigues博士提供用于SPS烧结的AISI 316L粉末；并感谢与爱尔兰Waterford技术学院的Ramesh Raghavendra博士的合作。
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