金屬頂刊《Acta Materialia》：激光增材制造異常堅(jiān)固、延展性和耐雜質(zhì)的奧氏體不銹鋼

來源： 材料學(xué)網(wǎng)  

導(dǎo)讀：碳（C）和氧（O）作為奧氏體不銹鋼中的雜質(zhì)，通常被控制在極低的水平，以減輕其對(duì)韌性和耐腐蝕性的不利影響。因此，優(yōu)質(zhì)奧氏體不銹鋼的雜質(zhì)耐受性差，強(qiáng)度適中。本文使用激光增材制造成功制備了高含量的C、N和O，作為與Cr協(xié)調(diào)的間隙原子，在鋼中以短程有序組裝的形式，并開發(fā)出一種耐雜質(zhì)的超飽和奧氏體不銹鋼，其超高強(qiáng)度為961±40 MPa，良好的延展性（37.5 ± 3），增強(qiáng)的耐腐蝕性（0.0745 Ecorr/V）和可接受的熱穩(wěn)定性高達(dá)500°C。第一原理計(jì)算表明，協(xié)調(diào)六面體C4Cr4作為奧氏體中的穩(wěn)定單元，可以通過三種基本類型的堆疊來組裝。在N和O的存在下，N1C6Cr8、O1C6Cr7和O1C6Cr8也是穩(wěn)定的協(xié)調(diào)組裝單元。這種間質(zhì)原子的短程有序組裝可以產(chǎn)生顯著的超飽和間質(zhì)固體溶液強(qiáng)化，提高抗拉強(qiáng)度，同時(shí)保持延展性。激光增材制造可能會(huì)為以低成本開發(fā)用于潛在工業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)高雜質(zhì)耐受鋼開辟一條新途徑。

原子半徑小于0.1納米的碳（C）、氮（N）和氧（O）可以通過理論上占據(jù)間隙位點(diǎn)產(chǎn)生顯著的間質(zhì)固體溶液強(qiáng)化效應(yīng)。其中，由于高效和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)，間隙原子C的利用已被廣泛接受。然而，奧氏體不銹鋼（ASSs）中的C和O具有非常低的平衡溶解度，分別為-0032 wt。%（470°C）和0.0195 wt.%。在ASS的傳統(tǒng)制造過程中，在高溫下，這兩種元素（C和O）都容易在晶界分離，并沉淀為粗碳化物或氧化物。由于ASS的延展性和耐腐蝕性惡化，C和O通常被認(rèn)為是嚴(yán)格控制的雜質(zhì)元素。因此，傳統(tǒng)的高質(zhì)量ASS的雜質(zhì)耐受性差，只依靠替代合金元素來獲得中等強(qiáng)度的固體溶液增強(qiáng)。嚴(yán)格的間質(zhì)雜質(zhì)控制使ASS的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)在技術(shù)上困難且經(jīng)濟(jì)昂貴。當(dāng)雜質(zhì)元素以飽和固體溶液的形式存在時(shí)，可以提高通過快速凝固技術(shù)制造的金屬的雜質(zhì)耐受性。同樣，由于熔融池的快速凝固，激光增材制造（LAM）在制備具有雜質(zhì)耐受性的金屬方面已成為一個(gè)有前途的應(yīng)用。然而，在粉末制備和隨后的LAM加工中引入氮和雜質(zhì)O是不可避免的，碳通常被視為雜質(zhì)，應(yīng)該進(jìn)行控制以獲得高塑性，但是需要以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)的。因此，LAM制造的高性能奧氏體不銹鋼的低成本開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)是確定C、N和O間質(zhì)元件的合理含量范圍，旨在保證間質(zhì)強(qiáng)化效果，并在適當(dāng)?shù)墓こ虘?yīng)用范圍內(nèi)控制其負(fù)面影響。

在這里，南華大學(xué)邱長(zhǎng)軍教授團(tuán)隊(duì)采用了一種新的激光熔池快速冷卻策略，其中ASS中高水平的間隙元素以穩(wěn)定的超細(xì)短程有序組裝的形式設(shè)計(jì)為間隙，以消除其潛在的有害影響，從而有效地?cái)U(kuò)大了ASS的雜質(zhì)耐受性。這有效地為開發(fā)具有特殊性能的先進(jìn)超飽和奧氏體不銹鋼（SASS）開辟了一個(gè)新的組合空間，并使LAM在生產(chǎn)高性能SASS方面獨(dú)一無二。相關(guān)研究成果以“An exceptionally strong, ductile and impurity-tolerant austenitic stainless steel prepared by laser additive manufacturing”發(fā)表在頂刊Acta Materialia上。

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

圖1拉伸試樣的幾何尺寸。

          

圖2采樣圖。

圖3機(jī)械和化學(xué)性能。a，304奧氏體不銹鋼（名為AISI304）、SASS和SASS樣品在不同溫度下退火的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。我們制備樣品的抗拉強(qiáng)度接近1 GPa，沒有犧牲伸長(zhǎng)率。插圖顯示了每個(gè)試樣的拉伸斷裂，刻度為4微米。b，通過不同加工技術(shù)制備的AISI304機(jī)械性能的比較。c，偏振曲線。

圖4微觀結(jié)構(gòu)。a，AISI304、SASS和熱處理SASS樣品的XRD。插入的餅顯示了相位含量（wt.%）：藍(lán)色的奧氏體、紅色的鐵氧體和棕色的M23C6。b，SASS、300-SASS和700-SASS樣品的同步輻射X射線對(duì)分布函數(shù)（PDF），表明存在短程有序結(jié)構(gòu)。c，SASS、300-SASS和700-SASS樣品的EPMA。白色刻度條為5微米。色標(biāo)顯示元素濃度（wt。%）。d，APT顯示300-SASS樣本的三維重建。比例條是10納米。e，沿著[011]晶軸查看HAADF和ABF STEM圖像。HAADF中的插圖突出了300-SASS中化學(xué)短程排序的存在，相應(yīng)的ABF圖像揭示了間隙原子的有序組裝�；疑�和綠色的球體分別代表金屬原子和間質(zhì)原子。插圖顯示了有序間隙組裝的放大視圖�？潭葪l是1納米。

圖5從APT樣本中獲得的質(zhì)譜。

圖6沿著[011]晶軸（a）和晶（b）在晶（b）中觀察的隨機(jī)分布有序結(jié)構(gòu)，尺寸為4納米×2.5納米�？潭葪U是0.5納米。

圖7不規(guī)則形狀的顆粒內(nèi)的細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)，如微弱的灰色低角邊界所示，幾何上必要的位錯(cuò)。

克服強(qiáng)度和延展性之間的長(zhǎng)期權(quán)衡挑戰(zhàn)在材料科學(xué)中至關(guān)重要，特別是對(duì)技術(shù)相關(guān)的ASS。我們成功地證明了LAM在C、N和O的工程分布中是有效的，以利用其有益效果，從而提高鋼的間質(zhì)雜質(zhì)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，表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度、高延展性和增強(qiáng)的耐腐蝕性。這項(xiàng)工作為短程有序結(jié)構(gòu)中間隙原子的位點(diǎn)占用提供了原子尺度的證據(jù)。這種短程有序組件具有良好的熱穩(wěn)定性，并負(fù)責(zé)全面增強(qiáng)SASS的特性。我們比傳統(tǒng)不銹鋼在有效提高雜質(zhì)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。有序組織組裝作為一種新的結(jié)構(gòu)單元，可能會(huì)為開發(fā)具有特殊性能的新型先進(jìn)合金提供巨大機(jī)會(huì)。