激光粉末床熔融法常壓制備無鎳高氮奧氏體不銹鋼

供稿人：王權(quán)威、魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


鋼是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)工程合金。其中，奧氏體不銹鋼（尤其是304、316和320牌號(hào)）以其優(yōu)異的機(jī)械性能（強(qiáng)度、延展性和韌性）與耐腐蝕性相結(jié)合而占據(jù)著顯著地位。在奧氏體不銹鋼中，可以通過添加8至12wt%的Ni來穩(wěn)定Fe（廣泛稱為“奧氏體”）的高溫面心立方(FCC)相，這使得這些鋼的價(jià)格相當(dāng)昂貴。除了高成本之外，Ni的致癌性還阻止了這些具有出色腐蝕性能的鋼被考慮用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此，大量的研究工作正致力于用Mn、C或N代替Ni。其中，與N合金化是有利的，因?yàn)?1)它含量豐富且價(jià)格低廉，(2)是一種強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定劑，(3)具有比C更好的固溶度和更有效的固溶強(qiáng)化，并且與Mn相比，可以提高抗點(diǎn)蝕性。當(dāng)鐵素體中的N含量（即在室溫下穩(wěn)定的Fe的體心立方(BCC)相）超過0.08wt%或奧氏體中的0.4wt%時(shí)，鋼被稱為高氮鋼(HNS)。它們的強(qiáng)度很容易達(dá)到退火AISI200和300系列鋼的2–3.5倍。

合成HNS的主要挑戰(zhàn)來自大氣壓(atm)下N在Fe基材料中的有限溶解度，以及常規(guī)制造設(shè)備和高壓制造過程的復(fù)雜性。增材制造(AM)的出現(xiàn)為材料開發(fā)和制造開辟了一條新途徑，尤其是金屬合金和復(fù)合材料。基于此，本文提出并證明了一步激光粉末床熔融法(LPBF)制造方法在環(huán)境壓力下含有超過0.8wt% N的無鎳HNS的可行性。

使用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)研究了 HNS（以 300 mm/s 打�。┑奈⒂^結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。它證實(shí)了它們中的大多數(shù)相確實(shí)是奧氏體。還觀察到一小部分BCC(<0.5%)和微量不完全熔化的CrxN(< 0.1%)。

圖1 顯微照片顯示了在175W、300mm/s下制造的試樣的微觀結(jié)構(gòu) IPF Z：沿 z方向的反極圖視圖

圖2為沿TD和BD加載的 HNS 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與不含N的對(duì)應(yīng)物(265.89±12.76 HV0.5)相比，HNS(383.99±16.25 HV0.5)的硬度顯著提高(大約44%)。后者中的主要微觀結(jié)構(gòu)相是 BCC（>60wt%），它通常比 FCC 相硬得多，而且多孔性也大大降低（相對(duì)于300mm/s的相同掃描速度）。盡管具有更高的孔隙率，HNS 的機(jī)械性能也明顯優(yōu)于AM制造的 316L，孔隙率約為 0.06%。由于N引起的固溶強(qiáng)化，HNS的硬度提高了70%以上，屈服強(qiáng)度也提高了約59%。

圖2 沿TD和BD加載的HNS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（插圖顯示了拉伸試樣的尺寸）

綜上，為了克服目前高壓制備技術(shù)的缺點(diǎn)，也可以在大氣壓力下，以二元金屬氮化物為N源，通過LPBF工藝制備HNS。印刷后的試樣具有高N含量、顯著的機(jī)械性能。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)促進(jìn)N鋼的工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有重大影響。
參考文獻(xiàn)：

    Cheng B、Wei F、Teh W 等。 激光粉末床熔融法常壓制備無鎳高氮奧氏體不銹鋼[J]． 增材制造，2022：102810。