沈陽工業(yè)大學(xué)張松教授團隊：激光增材制造新型馬氏體時效鋼的開發(fā)和表征！

來源：焊接科學(xué)
作者：張松

近日，沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張松教授團隊在《Materials Science and Engineering: A》（中科院1區(qū)，Top，影響因子6.4）期刊發(fā)表最新研究成果“Development and characterization of a novel maraging steel fabricated by laser additive manufacturing”，研究了激光增材制造的新型高鉬馬氏體時效鋼的開發(fā)和表征。張松教授為通訊作者。

研究人員在530℃下對馬氏體時效鋼進行直接時效處理2h以引發(fā)沉淀強化效應(yīng)，并研究了時效處理前后馬氏體時效鋼的顯微組織、納米壓痕特征和力學(xué)性能。結(jié)果表明，時效處理前后，馬氏體時效鋼的相組成保持一致，均呈現(xiàn)馬氏體組織。而時效處理促進了奧氏體的逆相變，促進了Fe2Mo顆粒和納米球狀析出相的析出。經(jīng)過直接時效處理的馬氏體時效鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，納米硬度范圍為7.10±0.17GPa至10.07±0.13GPa，抗拉強度為1978±38MPa，延伸率為7.36%。這些機械性能與經(jīng)過時效處理的18Ni300馬氏體時效鋼相當(dāng)，凸顯了所實現(xiàn)的高性能。這些優(yōu)異機械性能的主要強化機制歸因于Fe2Mo和納米級球形析出相誘導(dǎo)的析出強化效應(yīng)。

激光增材制造和直接時效處理的結(jié)合為制造具有出色機械性能的高性能馬氏體時效鋼提供了一種有前途的方法。這項研究的結(jié)果有助于更深入地了解高鉬元素馬氏體時效鋼的微觀結(jié)構(gòu)演變和強化機制，對先進工程和制造行業(yè)的各種應(yīng)用具有重要意義。

工作亮點
（1）設(shè)計了一種新型高鉬馬氏體時效鋼樣品。
（2）馬氏體時效鋼樣品直接時效530°/2h
（2）研究了馬氏體時效鋼樣品的納米壓痕行為。
（3）研究了馬氏體時效鋼涂層的拉伸性能和斷裂機理。

圖1. 激光增材制造和拉伸試樣示意圖。(a) 激光增材制造示意圖；(b) 實際的激光增材制造工藝；(c)激光增材制造堆疊方向示意圖；(d)馬氏體時效鋼樣品；(e-f)拉伸試樣尺寸示意圖。

圖2. 馬氏體時效鋼的SEM形貌。(a) 打印樣本；(b) 時效樣品。

圖3. 馬氏體時效鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

關(guān)鍵結(jié)論
該研究利用激光增材制造技術(shù)制造一種新型高鉬馬氏體時效鋼。主要結(jié)論概述如下。

(1) 打印樣品呈現(xiàn)出具有嚴(yán)重晶格畸變的單一α-Fe相，包括蜂窩狀和樹枝狀晶體。此外，枝晶之間析出Fe2Mo金屬間化合物。

(2) 在530℃時效處理2h后，Mo元素從α-Fe相中固溶出，導(dǎo)致α-Fe中的晶格畸變減少。Mo元素的析出增加了枝晶間區(qū)域的Fe2Mo含量。此外，在枝晶內(nèi)觀察到許多納米級球形沉淀相，尺寸約為20nm。這些納米級球形沉淀物對時效樣品的機械性能有顯著貢獻。

(3) 建成樣品的納米硬度范圍為6.39±0.21至8.99±0.12GPa，由于激光增材制造過程中的原位回火效應(yīng)，從頂部到街道界面逐漸增加。對于時效樣品，納米硬度范圍為7.10±0.17至10.07±0.13GPa。時效樣品中納米硬度的增強歸因于Fe2Mo金屬間化合物和納米級球形析出相引起的析出強化效應(yīng)。

(4) 測得打印樣品的拉伸強度和伸長率分別為1057±21MPa和1.81%。時效后拉伸強度提高至1978±38MPa，伸長率提高至7.36%。時效樣品的拉伸強度比打印樣品高約1.87倍。時效后樣品抗拉強度的提高是Mo元素固溶強化、Fe2Mo顆粒和納米級析出相沉淀強化以及位錯強化的綜合作用的結(jié)果。在時效樣品中觀察到的斷裂機制是脆性斷裂和韌性斷裂。

通訊作者
張松，女，博士，遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：激光增材制造及再制造、材料表面工程、耐磨蝕材料開發(fā)及應(yīng)用。先后主持了國防“863”先進材料專項子課題、中國博士后基金、金屬腐蝕與防護國家重點實驗室基金、遼寧省自然科學(xué)基金、遼寧省教育廳基金及企業(yè)委托項目10余項。在Scripta Materialia、Surface & Coatings Technology、Trans. Nonferrous Met. Soc.、中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報、金屬學(xué)報等國內(nèi)外雜志發(fā)表論文70余篇，SCI、EI收錄40篇，申請國家發(fā)明專利4項，授權(quán)1項。

論文引用

Xu T Z, Zhang S, Du Y, et al. Development and characterization of a novel maraging steel fabricated by laser additive manufacturing[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145975.

https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145975