金屬頂刊《Acta materialia》：激光粉末床熔合增材制造高溫高強(qiáng)度奧氏體鋼

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：激光粉末床融合(LPBF)過程中極快的冷卻速度可以產(chǎn)生具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的材料。對于激光粉末床融合 316L不銹鋼，具有高位錯密度的亞晶胞狀組織的形成與優(yōu)異的室溫拉伸性能有關(guān)。這種胞狀結(jié)構(gòu)也為高溫LPBF鋼的發(fā)展提供了一條新的途徑，即胞壁中形成了納米級強(qiáng)化碳化物。因此，用LPBF制備了HK3ONb鋼(Fe-25Cr-20NiNb-C)，以評估其高溫應(yīng)用的潛力。優(yōu)化制備參數(shù)可獲得密度大于99.7%的材料，胞壁中有納米富鈮沉淀。在800℃下退火5h，析出相主要在胞壁和晶界處形成和生長。在20-900℃時(shí)，高位錯密度導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度是鑄造HK3ONb屈服強(qiáng)度的2 - 3倍;800℃時(shí)，胞壁中的納米碳化物顯著提高了胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

激光粉末融合制備316L鋼因其獨(dú)特的顯微組織特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。具有特殊意義的是存在具有高位錯密度的胞狀結(jié)構(gòu)。亞胞狀結(jié)構(gòu)中的位錯提高了合金的屈服強(qiáng)度，變形孿晶與胞壁中位錯的相互作用使合金具有良好的室溫塑性。然而，最近的研究表明，LPBF 316L不銹鋼在400-700°C的拉伸性能僅略好于鍛制的316L。主要原因是t>在200 °C時(shí)的變形機(jī)制發(fā)生了變化，變形的316L也是如此，從低溫孿晶到高溫時(shí)的位錯運(yùn)動。動態(tài)應(yīng)變時(shí)效與溶質(zhì)原子和移動位錯之間的強(qiáng)相互作用也被認(rèn)為在500-700℃降低了316L的延展性。當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，胞體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到限制，從T >800-900℃，退火15min到4h，胞體結(jié)構(gòu)從位錯密度顯著降低到完全消失。在高溫下穩(wěn)定合金組織和提高合金強(qiáng)度的一種有前途的方法是在細(xì)胞壁中使沉淀物成核以釘住位錯。一些作者已經(jīng)證明，確實(shí)，在LPBF制備的316L中，在胞壁中觀察到Mo和Cr的化學(xué)偏析和(Si,O)富沉淀，導(dǎo)致化學(xué)偏析和納米沉淀是高強(qiáng)度不銹鋼的可行解決方案。

Almangour et al.激光熔化316L粉末或TiC或鋼。Almangour et al激光熔化316L粉末，TiC或TiB2粉末，在室溫和650℃的壓縮屈服強(qiáng)度比參考LPBF 316L鋼顯著提高。鋼的強(qiáng)化歸因于晶粒結(jié)構(gòu)的細(xì)化，胞結(jié)構(gòu)的細(xì)化和/或胞壁中的化學(xué)分離。在高溫下，由于細(xì)小析出相的存在，動態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶的減少也是假定的。Zhong等人在熔化前將316L粉末與納米Y2O3粉末混合，制備出氧化彌散強(qiáng)化(ODS) 316L鋼。他們觀察到(Y,Si,O)納米氧化物的形成，但對LPBF 316L鋼拉伸性能的影響有限。設(shè)計(jì)高溫高強(qiáng)度LPBF奧氏體鋼的另一個(gè)途徑是利用胞壁中的高位錯密度，使細(xì)小碳化物或碳氮化物成核，就像在高級310或347奧氏體鋼中觀察到的那樣。

在這項(xiàng)工作中，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與技術(shù)部SebastienDryepondt教授等人，將描述LPBF制造和表征310型鑄造HK3ONb鋼。選擇該合金是因?yàn)樗�在汽車行業(yè)用于渦輪增壓器管和殼體，澆注性好，C、Cr和Nb濃度高，形成NbC和M23C6析出物，優(yōu)化制備參數(shù)可獲得密度大于99.7%的材料，胞壁中有納米富鈮沉淀。在800℃下退火5h，析出相主要在胞壁和晶界處形成和生長。在20-900℃時(shí)，高位錯密度導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度是鑄造HK3ONb屈服強(qiáng)度的2 - 3倍;800℃時(shí)，胞壁中的納米碳化物顯著提高了胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以題“High temperature high strength austenitic steel fabricated by laser powder-bed fusion”發(fā)表在金屬頂刊Acta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645422002622

圖6比較了LPBF HK3ONb在SS3和標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件沿建造方向的拉伸性能，以及與SS3試件垂直于建造方向的拉伸性能。從圖6a所示的拉伸曲線實(shí)例可以看出，SS3與標(biāo)準(zhǔn)試件的關(guān)鍵區(qū)別在于，由于拉伸機(jī)的順應(yīng)性，SS3曲線的錯誤彈性部分。這就是為什么這里報(bào)告了均勻和總塑性伸長的原因。此外，圖6a中的箭頭突出顯示，在600℃下觀察到鋸齒狀的拉伸曲線，說明發(fā)生了動態(tài)應(yīng)變時(shí)效。在T < 600℃時(shí)，LPBF HK3ONb鋼垂直于建造方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略高于縱向方向的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，室溫下的屈服應(yīng)力差異更顯著。在T > 700℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和UTS值基本一致。在兩個(gè)方向上，總塑性變形隨溫度的升高而逐漸減小，且在垂直于建造方向的所有溫度下，塑性均較高。在20-400℃時(shí)，均勻伸長率保持不變，略有下降在600°C,然后大大降低T > 700°C數(shù)據(jù)生成20°C和700°C與標(biāo)準(zhǔn)樣本非常符合上生成的結(jié)果小SS3-type狗骨標(biāo)本除了降低延性在700°C,延性較低標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)本相比,SS3-type標(biāo)本之前Dryepondt等報(bào)道了LPBF制備的316L的[13]。

圖1所示。LPBF HK30Nb使用Renishaw AM250建造，a)立方體和薄壁用于參數(shù)優(yōu)化，b)圓柱棒和矩形棒用于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)測試

圖2所示。a) LPBF HK30Nb立方密度，通過氣體比重測量或圖像分析與體積熱輸入，b)和c)立方體截面的例子，用于測量表面分?jǐn)?shù)密度

圖3所示。印刷時(shí)LPBF HK30Nb桿的逆極圖(IPF)圖及對應(yīng)的{001}極圖，a)沿構(gòu)建方向，b)垂直于構(gòu)建方向

圖4所示。當(dāng)LPBF HK30Nb沿構(gòu)建方向印刷時(shí)，a)蝕刻光學(xué)顯微圖顯示熔體池邊界處未熔合，b)蝕刻BSE-SEM顯微圖顯示等軸和細(xì)長的胞狀結(jié)構(gòu)，c) BSE-SEM顯微圖顯示類似的胞狀結(jié)構(gòu)，d)相應(yīng)的EDS Cr圖

圖5所示。像印制的)BF-STEM形象LPBF HK30Nb桿,b)和c)高放大率BF-STEM細(xì)胞結(jié)構(gòu)的圖像與相應(yīng)的EDS元素Nb的地圖和Cr和d)更高的放大BF-STEM圖像隨機(jī)晶界與相應(yīng)的EDS元素c的地圖,Nb, O,艾爾和Cr

圖6所示。LPBF HK30Nb沿構(gòu)建方向和垂直于構(gòu)建方向的拉伸性能，a) 22℃、600℃、700℃拉伸曲線的例子。黑色箭頭顯示的是600℃時(shí)的鋸齒形曲線。b)屈服和極限拉伸強(qiáng)度，C)均勻和總伸長率。在室溫下，沿施工方向進(jìn)行了兩次試驗(yàn)

圖7所示。LPBF HK30Nb、鑄造HK30Nb和變形310型鋼在20 ~ 900℃下的拉伸性能比較，a)屈服率和極限拉伸強(qiáng)度，b)塑性變形

圖10所示。800c退火5h后的LPBF HK30Nb顯微組織。a) BSE-SEM圖像，黑色箭頭突出晶界處有沉淀。b)和c) BF-STEM圖像，d)對應(yīng)圖10c的Ni、Si、Cr和Nb的EDS元素圖。

采用激光粉末床熔合法制備了一種先進(jìn)的奧氏體鋼HK3ONb (Fe-25Cr-20Ni-Nb-C)。合金密度優(yōu)于99.7%，且無裂紋，500nm胞狀結(jié)構(gòu)與LPBF 316L類似。一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是，在打印條件下，胞壁中存在納米富鈮碳化物。800°C退火5后，形成了各種析出相，主要在胞壁中，這與動力學(xué)/熱力學(xué)計(jì)算預(yù)測的M23C6和g相析出相的形成相一致。如預(yù)期的那樣，胞壁中較高的位錯密度導(dǎo)致鋼在20-900°C時(shí)的屈服率和極限抗拉強(qiáng)度顯著高于鍛鑄型310鋼。高密度沉淀可能發(fā)揮的作用溫和合金強(qiáng)度但幫助穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)800°c的合金化學(xué)改性納米沉淀成核的胞壁是一種非常有前途的戰(zhàn)略發(fā)展獨(dú)特的高強(qiáng)度高溫合金。