【摘 要】
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15-5PH（Precipitation Hardening,PH）是一种马氏体、析出硬化不锈钢,在室温以及高温条件下都具备优良的力学性能和耐腐蚀性能。为提升15-5PH不锈钢的综合力学性能,本文使用行星球磨法将不同质量比（0wt.%,0.1wt.%,0.2wt.%,0.5wt.%）的石墨烯纳米片（Graphene Nanoplates,GNPs）与15-5PH不锈钢粉末均匀混合,并通过合理的SL
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15-5PH（Precipitation Hardening,PH）是一种马氏体、析出硬化不锈钢,在室温以及高温条件下都具备优良的力学性能和耐腐蚀性能。为提升15-5PH不锈钢的综合力学性能,本文使用行星球磨法将不同质量比（0wt.%,0.1wt.%,0.2wt.%,0.5wt.%）的石墨烯纳米片（Graphene Nanoplates,GNPs）与15-5PH不锈钢粉末均匀混合,并通过合理的SLM工艺制备得到15-5PH/石墨烯（15-5PH/Gr）复合材料。本文通过对SLM工艺制备15-5PH/Gr复合材料过程中GNPs在熔池内的分散行为的研究,提出了GNPs在高温熔池内的二次分散机理。此外,通过对15-5PH/Gr复合材料的微观组织形貌的观察和力学性能的研究,揭示了GNPs质量比的改变所引起15-5PH/Gr复合材料相变的本质和力学性能提升所涉及的增强机理。本文的研究结果具体如下:（1）本文借助拉曼光谱对15-5PH/Gr复合材料中GNPs的结构完整性和分布状况进行了研究。通过数据分析发现:行星球磨法虽然增加了GNPs内部以及边缘的缺陷,但其平均层数却从12层降低到3层;而激光辐射对GNPs内部及边缘结构的破坏影响较小。通过15-5PH/Gr复合材料的OM形貌分析、拉曼光谱测试分析、以及球差校正透射电镜观察,发现GNPs均匀分散于15-5PH基体中,且其平均层数在SLM工艺过程之后进一步降低到1～2层。基于以上现象和结论,通过建立熔池流动模型,阐述了GNPs在高温熔池内的Marangoni效应和反冲压力作用下发生二次分散的机理。（2）通过SLM制备的15-5PH/Gr复合材料的光学显微学（OM）和电子扫描显微学（SEM）微观形貌观察,发现:随着15-5PH/Gr复合材料中GNPs质量比的增加（0wt.%,0.1wt.%,0.2wt.%,0.5wt.%）,熔池深度变浅、宽度变宽。熔池形貌的此类变化有利于柱状晶的生长,导致含高GNPs质量比的15-5PH/0.2Gr复合材料中出现贯穿数个熔池高度的柱状晶的现象。此外,还发现GNPs质量比的增加将引起15-5PH/Gr复合材料内组织形貌由针状马氏体向块状奥氏体的转变。在SLM快速凝固过程中,15-5PH/Gr复合材料的马氏体开始转变温度MS将随其内GNPs质量比的增加而大幅度下降,使得15-5PH/Gr复合材料由奥氏体向马氏体的转变受到的抑制作用增强。最终,在15-5PH/0.5Gr复合材料中布满了奥氏体组织,实现了马氏体不锈钢向奥氏体钢的转变。（3）通过对15-5PH/Gr复合材料的宏观力学性能（冲击、拉伸、硬度以及耐磨性）的研究。发现GNPs对15-5PH/Gr复合材料的冲击韧性和耐磨性有显著的提升作用。相比于15-5PH不锈钢材料,15-5PH/0.2Gr复合材料的冲击韧性增幅97.3%;15-5PH/0.5Gr复合材料的摩擦系数（Friction coefficient,COF）降低45.2%。因15-5PH/Gr复合材料中GNPs质量比的增加而引起的相变,导致15-5PH/Gr复合材料的强度随之下降,但其延展性却得到了大幅度提升。相比于15-5PH不锈钢材料,15-5PH/0.5Gr复合材料的延伸率增幅达到130.9%。此外,15-5PH/Gr复合材料中GNPs质量比的增加所引起的相变也造成了其硬度的下降,但15-5PH/0.1Gr复合材料的硬度却得到了提升。综上所述,石墨烯纳米片GNPs的加入,可以调控马氏体不锈钢15-5PH的组织和性能,使其转变为奥氏体不锈钢,在保持高强度的同时,石墨烯增强了15-5PH不锈钢的延展性（提升130.9%）、冲击韧性（提升97.3%）和耐磨性（摩擦系数降低45.2%）。
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