沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)張松教授團(tuán)隊(duì)：激光增材制造新型馬氏體時(shí)效鋼的開發(fā)和表征！

來源：焊接科學(xué)
作者：張松

近日，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張松教授團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)馬氏體時(shí)效鋼進(jìn)行直接時(shí)效處理2h以引發(fā)沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，并研究了時(shí)效處理前后馬氏體時(shí)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(shí)效處理前后，馬氏體時(shí)效鋼的相組成保持一致，均呈現(xiàn)馬氏體組織。而時(shí)效處理促進(jìn)了奧氏體的逆相變，促進(jìn)了Fe2Mo顆粒和納米球狀析出相的析出。經(jīng)過直接時(shí)效處理的馬氏體時(shí)效鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，納米硬度范圍為7.10±0.17GPa至10.07±0.13GPa，抗拉強(qiáng)度為1978±38MPa，延伸率為7.36%。這些機(jī)械性能與經(jīng)過時(shí)效處理的18Ni300馬氏體時(shí)效鋼相當(dāng)，凸顯了所實(shí)現(xiàn)的高性能。這些優(yōu)異機(jī)械性能的主要強(qiáng)化機(jī)制歸因于Fe2Mo和納米級(jí)球形析出相誘導(dǎo)的析出強(qiáng)化效應(yīng)。

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

工作亮點(diǎn)
（1）設(shè)計(jì)了一種新型高鉬馬氏體時(shí)效鋼樣品。
（2）馬氏體時(shí)效鋼樣品直接時(shí)效530°/2h
（2）研究了馬氏體時(shí)效鋼樣品的納米壓痕行為。
（3）研究了馬氏體時(shí)效鋼涂層的拉伸性能和斷裂機(jī)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(shí)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(shí)效鋼樣品；(e-f)拉伸試樣尺寸示意圖。

圖2. 馬氏體時(shí)效鋼的SEM形貌。(a) 打印樣本；(b) 時(shí)效樣品。

圖3. 馬氏體時(shí)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(shí)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(shí)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(jí)球形沉淀相，尺寸約為20nm。這些納米級(jí)球形沉淀物對(duì)時(shí)效樣品的機(jī)械性能有顯著貢獻(xiàn)。

(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(duì)于時(shí)效樣品，納米硬度范圍為7.10±0.17至10.07±0.13GPa。時(shí)效樣品中納米硬度的增強(qiáng)歸因于Fe2Mo金屬間化合物和納米級(jí)球形析出相引起的析出強(qiáng)化效應(yīng)。

(4) 測(cè)得打印樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為1057±21MPa和1.81%。時(shí)效后拉伸強(qiáng)度提高至1978±38MPa，伸長(zhǎng)率提高至7.36%。時(shí)效樣品的拉伸強(qiáng)度比打印樣品高約1.87倍。時(shí)效后樣品抗拉強(qiáng)度的提高是Mo元素固溶強(qiáng)化、Fe2Mo顆粒和納米級(jí)析出相沉淀強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化的綜合作用的結(jié)果。在時(shí)效樣品中觀察到的斷裂機(jī)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(guó)防“863”先進(jìn)材料專項(xiàng)子課題、中國(guó)博士后基金、金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目10余項(xiàng)。在Scripta Materialia、Surface & Coatings Technology、Trans. Nonferrous Met. Soc.、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)、金屬學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外雜志發(fā)表論文70余篇，SCI、EI收錄40篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)，授權(quán)1項(xiàng)。

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