強度961MPa，延伸率37.5%！激光增材制造高強韌高雜質(zhì)容忍度奧氏體！

來源： 材料學網(wǎng)

導讀：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，其超高強度為961±40 MPa，良好的延展性（37.5 ± 3），增強的耐腐蝕性（0.0745 Ecorr/V）和可接受的熱穩(wěn)定性高達500°C。第一原理計算表明，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)固體溶液強化，這負責提高抗拉強度，同時保持延展性。激光增材制造工程雜質(zhì)的新方法可能會為以低成本開發(fā)用于潛在工業(yè)應用的先進高雜質(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)間隙位點產(chǎn)生顯著的間質(zhì)固體溶液強化效應。其中，由于高效和經(jīng)濟的生產(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通常被認為是嚴格控制的雜質(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度的固體溶液增強。嚴格的間質(zhì)雜質(zhì)控制使ASS的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)在技術上困難且經(jīng)濟昂貴。

當雜質(zhì)元素以飽和固體溶液的形式存在時，可以提高通過快速凝固技術制造的金屬的雜質(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有前途的應用。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)，應該進行控制以獲得高塑性，但是需要以犧牲強度為代價的。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)強化效果，并在適當?shù)墓こ虘�用范圍�?nèi)控制其負面影響。

在這里，南華大學機械工程學院邱長軍教授團隊利用激光熔池急冷誘導傳統(tǒng)認為應嚴格控制的碳氧等雜質(zhì)元素形成間隙原子短程有序團簇，產(chǎn)生顯著強韌化效應，成功開發(fā)了高強韌中碳奧氏體不銹鋼材料和制備技術，大幅降低了成本，拓展了激光增材高強韌奧氏體不銹鋼成分設計新區(qū)間和應用新領域。相關原創(chuàng)性研究成果以南華大學機械工程學院陳勇副教授和朱紅梅教授為論文的共同第一作者，南華大學邱長軍教授和南京理工大學沙剛教授為論文的共同通訊作者，南華大學為第一署名單位，這有效地為開發(fā)具有特殊性能的先進超飽和奧氏體不銹鋼（SASS）開辟了一個新的組合空間，并使LAM在生產(chǎn)高性能SASS方面獨一無二。相關研究成果以“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3.機械和化學性能。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力-應變曲線。我們制備樣品的抗拉強度接近1 GPa，沒有犧牲伸長率。插圖顯示了每個試樣的拉伸斷裂，刻度為4微米。b，通過不同加工技術制備的AISI304機械性能的比較。c，偏振曲線。

圖4.微觀結構。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射線對分布函數(shù)（PDF），表明存在短程有序結構。c，SASS、300-SASS和700-SASS樣品的EPMA。白色刻度條為5微米。色標顯示元素濃度（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中化學短程排序的存在，相應的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。刻度條是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）中觀察的隨機分布有序結構，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)的細胞微觀結構，如微弱的灰色低角邊界所示，幾何上必要的位錯。

克服強度和延展性之間的長期權衡挑戰(zhàn)在材料科學中至關重要，特別是對技術相關的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)異的強度、高延展性和增強的耐腐蝕性。這項工作為短程有序結構中間隙原子的位點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，并負責全面增強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構單元，可能會為開發(fā)具有特殊性能的新型先進合金提供巨大機會。