强度961MPa，延伸率37.5%！激光增材制造高强韧高杂质容忍度奥氏体

时间：2023-04-28 20:20 来源：材料学网作者：admin 阅读：次

导读：碳（C）和氧（O）作为奥氏体不锈钢中的杂质，通常被控制在极低的水平，以减轻其对韧性和耐腐蚀性的不利影响。因此，优质奥氏体不锈钢的杂质耐受性差，强度适中。本文使用激光增材制造成功制备了高含量的C、N和O，作为与Cr协调的间隙原子，在钢中以短程有序组装的形式，并开发出一种耐杂质的超饱和奥氏体不锈钢，其超高强度为961±40 MPa，良好的延展性（37.5 ± 3），增强的耐腐蚀性（0.0745 Ecorr/V）和可接受的热稳定性高达500°C。第一原理计算表明，协调六面体C4Cr4作为奥氏体中的稳定单元，可以通过三种基本类型的堆叠来组装。在N和O的存在下，N1C6Cr8、O1C6Cr7和O1C6Cr8也是稳定的协调组装单元。这种间质原子的短程有序组装可以产生显著的超饱和间质固体溶液强化，这负责提高抗拉强度，同时保持延展性。激光增材制造工程杂质的新方法可能会为以低成本开发用于潜在工业应用的先进高杂质耐受钢开辟一条新途径。
原子半径小于0.1纳米的碳（C）、氮（N）和氧（O）可以通过理论上占据间隙位点产生显著的间质固体溶液强化效应。其中，由于高效和经济的生产，间隙原子C的利用已被广泛接受。然而，奥氏体不锈钢（ASSs）中的C和O具有非常低的平衡溶解度，分别为-0032 wt。%（470°C）和0.0195 wt.%。在ASS的传统制造过程中，在高温下，这两种元素（C和O）都容易在晶界分离，并沉淀为粗碳化物或氧化物。由于ASS的延展性和耐腐蚀性恶化，C和O通常被认为是严格控制的杂质元素。因此，传统的高质量ASS的杂质耐受性差，只依靠替代合金元素来获得中等强度的固体溶液增强。严格的间质杂质控制使ASS的传统工业生产在技术上困难且经济昂贵。

当杂质元素以饱和固体溶液的形式存在时，可以提高通过快速凝固技术制造的金属的杂质耐受性。同样，由于熔融池的快速凝固，激光增材制造（LAM）在制备具有杂质耐受性的金属方面已成为一个有前途的应用。然而，在粉末制备和随后的LAM加工中引入氮和杂质O是不可避免的，碳通常被视为杂质，应该进行控制以获得高塑性，但是需要以牺牲强度为代价的。因此，LAM制造的高性能奥氏体不锈钢的低成本开发面临的挑战是确定C、N和O间质元件的合理含量范围，旨在保证间质强化效果，并在适当的工程应用范围内控制其负面影响。

在这里，南华大学机械工程学院邱长军教授团队利用激光熔池急冷诱导传统认为应严格控制的碳氧等杂质元素形成间隙原子短程有序团簇，产生显著强韧化效应，成功开发了高强韧中碳奥氏体不锈钢材料和制备技术，大幅降低了成本，拓展了激光增材高强韧奥氏体不锈钢成分设计新区间和应用新领域。相关原创性研究成果以南华大学机械工程学院陈勇副教授和朱红梅教授为论文的共同第一作者，南华大学邱长军教授和南京理工大学沙刚教授为论文的共同通讯作者，南华大学为第一署名单位，这有效地为开发具有特殊性能的先进超饱和奥氏体不锈钢（SASS）开辟了一个新的组合空间，并使LAM在生产高性能SASS方面独一无二。相关研究成果以“An exceptionally strong, ductile and impurity-tolerant austenitic stainless steel prepared by laser additive manufacturing”发表在顶刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645423001994

图1.拉伸试样的几何尺寸。

图3.机械和化学性能。a，304奥氏体不锈钢（名为AISI304）、SASS和SASS样品在不同温度下退火的室温拉伸应力-应变曲线。我们制备样品的抗拉强度接近1 GPa，没有牺牲伸长率。插图显示了每个试样的拉伸断裂，刻度为4微米。b，通过不同加工技术制备的AISI304机械性能的比较。c，偏振曲线。

图4.微观结构。a，AISI304、SASS和热处理SASS样品的XRD。插入的饼显示了相位含量（wt.%）：蓝色的奥氏体、红色的铁氧体和棕色的M23C6。b，SASS、300-SASS和700-SASS样品的同步辐射X射线对分布函数（PDF），表明存在短程有序结构。c，SASS、300-SASS和700-SASS样品的EPMA。白色刻度条为5微米。色标显示元素浓度（wt。%）。d，APT显示300-SASS样本的三维重建。比例条是10纳米。e，沿着[011]晶轴查看HAADF和ABF STEM图像。HAADF中的插图突出了300-SASS中化学短程排序的存在，相应的ABF图像揭示了间隙原子的有序组装。灰色和绿色的球体分别代表金属原子和间质原子。插图显示了有序间隙组装的放大视图。刻度条是1纳米。

图5.从APT样本中获得的质谱。

图6.沿着[011]晶轴（a）和晶（b）在晶（b）中观察的随机分布有序结构，尺寸为4纳米×2.5纳米。刻度杆是0.5纳米。

图7.不规则形状的颗粒内的细胞微观结构，如微弱的灰色低角边界所示，几何上必要的位错。

克服强度和延展性之间的长期权衡挑战在材料科学中至关重要，特别是对技术相关的ASS。我们成功地证明了LAM在C、N和O的工程分布中是有效的，以利用其有益效果，从而提高钢的间质杂质耐受性。SASS（0.45 wt。% C，0.12重量。% N，0.054重量。% O，0.025重量。% P，0.020重量。% S）由激光加工制造，表现出优异的强度、高延展性和增强的耐腐蚀性。这项工作为短程有序结构中间隙原子的位点占用提供了原子尺度的证据。这种短程有序组件具有良好的热稳定性，并负责全面增强SASS的特性。我们比传统不锈钢在有效提高杂质耐受性（C和O含量）方面取得了突破，可以大幅降低高性能ASS的制造成本。有序组织组装作为一种新的结构单元，可能会为开发具有特殊性能的新型先进合金提供巨大机会。

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