金屬頂刊《Acta materialia》：激光粉末床熔合增材制造高溫高強(qiáng)度奧氏體鋼

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：激光粉末床融合(LPBF)過程中極快的冷卻速度可以產(chǎn)生具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的材料。對(duì)于激光粉末床融合 316L不銹鋼,，具有高位錯(cuò)密度的亞晶胞狀組織的形成與優(yōu)異的室溫拉伸性能有關(guān)。這種胞狀結(jié)構(gòu)也為高溫LPBF鋼的發(fā)展提供了一條新的途徑,，即胞壁中形成了納米級(jí)強(qiáng)化碳化物,。因此，用LPBF制備了HK3ONb鋼(Fe-25Cr-20NiNb-C),，以評(píng)估其高溫應(yīng)用的潛力,。優(yōu)化制備參數(shù)可獲得密度大于99.7%的材料，胞壁中有納米富鈮沉淀,。在800℃下退火5h,，析出相主要在胞壁和晶界處形成和生長,。在20-900℃時(shí)，高位錯(cuò)密度導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度是鑄造HK3ONb屈服強(qiáng)度的2 - 3倍;800℃時(shí),，胞壁中的納米碳化物顯著提高了胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,。

激光粉末融合制備316L鋼因其獨(dú)特的顯微組織特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。具有特殊意義的是存在具有高位錯(cuò)密度的胞狀結(jié)構(gòu),。亞胞狀結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)提高了合金的屈服強(qiáng)度,，變形孿晶與胞壁中位錯(cuò)的相互作用使合金具有良好的室溫塑性。然而,，最近的研究表明,，LPBF 316L不銹鋼在400-700°C的拉伸性能僅略好于鍛制的316L。主要原因是t>在200 °C時(shí)的變形機(jī)制發(fā)生了變化,，變形的316L也是如此,，從低溫孿晶到高溫時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效與溶質(zhì)原子和移動(dòng)位錯(cuò)之間的強(qiáng)相互作用也被認(rèn)為在500-700℃降低了316L的延展性,。當(dāng)溫度超過600℃時(shí),，胞體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到限制，從T >800-900℃,，退火15min到4h,，胞體結(jié)構(gòu)從位錯(cuò)密度顯著降低到完全消失。在高溫下穩(wěn)定合金組織和提高合金強(qiáng)度的一種有前途的方法是在細(xì)胞壁中使沉淀物成核以釘住位錯(cuò),。一些作者已經(jīng)證明,，確實(shí)，在LPBF制備的316L中,，在胞壁中觀察到Mo和Cr的化學(xué)偏析和(Si,O)富沉淀,，導(dǎo)致化學(xué)偏析和納米沉淀是高強(qiáng)度不銹鋼的可行解決方案。

Almangour et al.激光熔化316L粉末或TiC或鋼,。Almangour et al激光熔化316L粉末,，TiC或TiB2粉末，在室溫和650℃的壓縮屈服強(qiáng)度比參考LPBF 316L鋼顯著提高,。鋼的強(qiáng)化歸因于晶粒結(jié)構(gòu)的細(xì)化,，胞結(jié)構(gòu)的細(xì)化和/或胞壁中的化學(xué)分離。在高溫下,，由于細(xì)小析出相的存在,，動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶的減少也是假定的。Zhong等人在熔化前將316L粉末與納米Y2O3粉末混合,，制備出氧化彌散強(qiáng)化(ODS) 316L鋼,。他們觀察到(Y,Si,O)納米氧化物的形成，但對(duì)LPBF 316L鋼拉伸性能的影響有限,。設(shè)計(jì)高溫高強(qiáng)度LPBF奧氏體鋼的另一個(gè)途徑是利用胞壁中的高位錯(cuò)密度,，使細(xì)小碳化物或碳氮化物成核,，就像在高級(jí)310或347奧氏體鋼中觀察到的那樣。

在這項(xiàng)工作中,，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與技術(shù)部SebastienDryepondt教授等人,，將描述LPBF制造和表征310型鑄造HK3ONb鋼。選擇該合金是因?yàn)樗�在汽車行業(yè)用于渦輪增壓器管和殼體,，澆注性好,，C、Cr和Nb濃度高,，形成NbC和M23C6析出物,，優(yōu)化制備參數(shù)可獲得密度大于99.7%的材料，胞壁中有納米富鈮沉淀,。在800℃下退火5h,，析出相主要在胞壁和晶界處形成和生長。在20-900℃時(shí),，高位錯(cuò)密度導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度是鑄造HK3ONb屈服強(qiáng)度的2 - 3倍;800℃時(shí),，胞壁中的納米碳化物顯著提高了胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以題“High temperature high strength austenitic steel fabricated by laser powder-bed fusion”發(fā)表在金屬頂刊Acta materialia上,。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645422002622

圖6比較了LPBF HK3ONb在SS3和標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件沿建造方向的拉伸性能，以及與SS3試件垂直于建造方向的拉伸性能,。從圖6a所示的拉伸曲線實(shí)例可以看出,，SS3與標(biāo)準(zhǔn)試件的關(guān)鍵區(qū)別在于，由于拉伸機(jī)的順應(yīng)性,，SS3曲線的錯(cuò)誤彈性部分,。這就是為什么這里報(bào)告了均勻和總塑性伸長的原因。此外,，圖6a中的箭頭突出顯示,，在600℃下觀察到鋸齒狀的拉伸曲線，說明發(fā)生了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效,。在T < 600℃時(shí),，LPBF HK3ONb鋼垂直于建造方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略高于縱向方向的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，室溫下的屈服應(yīng)力差異更顯著,。在T > 700℃時(shí),，屈服強(qiáng)度和UTS值基本一致。在兩個(gè)方向上,，總塑性變形隨溫度的升高而逐漸減小,，且在垂直于建造方向的所有溫度下，塑性均較高,。在20-400℃時(shí),，均勻伸長率保持不變，略有下降在600°C,然后大大降低T > 700°C數(shù)據(jù)生成20°C和700°C與標(biāo)準(zhǔn)樣本非常符合上生成的結(jié)果小SS3-type狗骨標(biāo)本除了降低延性在700°C,延性較低標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)本相比,SS3-type標(biāo)本之前Dryepondt等報(bào)道了LPBF制備的316L的[13],。

圖1所示,。LPBF HK30Nb使用Renishaw AM250建造，a)立方體和薄壁用于參數(shù)優(yōu)化,，b)圓柱棒和矩形棒用于微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)測試

圖2所示,。a) LPBF HK30Nb立方密度，通過氣體比重測量或圖像分析與體積熱輸入,，b)和c)立方體截面的例子,，用于測量表面分?jǐn)?shù)密度

圖3所示。印刷時(shí)LPBF HK30Nb桿的逆極圖(IPF)圖及對(duì)應(yīng)的{001}極圖,，a)沿構(gòu)建方向,，b)垂直于構(gòu)建方向

圖4所示。當(dāng)LPBF HK30Nb沿構(gòu)建方向印刷時(shí),，a)蝕刻光學(xué)顯微圖顯示熔體池邊界處未熔合,，b)蝕刻BSE-SEM顯微圖顯示等軸和細(xì)長的胞狀結(jié)構(gòu)，c) BSE-SEM顯微圖顯示類似的胞狀結(jié)構(gòu),，d)相應(yīng)的EDS Cr圖

圖5所示,。像印制的)BF-STEM形象LPBF HK30Nb桿,b)和c)高放大率BF-STEM細(xì)胞結(jié)構(gòu)的圖像與相應(yīng)的EDS元素Nb的地圖和Cr和d)更高的放大BF-STEM圖像隨機(jī)晶界與相應(yīng)的EDS元素c的地圖,Nb, O,艾爾和Cr

圖6所示。LPBF HK30Nb沿構(gòu)建方向和垂直于構(gòu)建方向的拉伸性能,，a) 22℃,、600℃、700℃拉伸曲線的例子,。黑色箭頭顯示的是600℃時(shí)的鋸齒形曲線,。b)屈服和極限拉伸強(qiáng)度，C)均勻和總伸長率,。在室溫下,，沿施工方向進(jìn)行了兩次試驗(yàn)

圖7所示。LPBF HK30Nb,、鑄造HK30Nb和變形310型鋼在20 ~ 900℃下的拉伸性能比較,，a)屈服率和極限拉伸強(qiáng)度，b)塑性變形

圖10所示,。800c退火5h后的LPBF HK30Nb顯微組織。a) BSE-SEM圖像,，黑色箭頭突出晶界處有沉淀,。b)和c) BF-STEM圖像，d)對(duì)應(yīng)圖10c的Ni,、Si,、Cr和Nb的EDS元素圖,。

采用激光粉末床熔合法制備了一種先進(jìn)的奧氏體鋼HK3ONb (Fe-25Cr-20Ni-Nb-C),。合金密度優(yōu)于99.7%,，且無裂紋，500nm胞狀結(jié)構(gòu)與LPBF 316L類似,。一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是，在打印條件下,，胞壁中存在納米富鈮碳化物,。800°C退火5后，形成了各種析出相,，主要在胞壁中，這與動(dòng)力學(xué)/熱力學(xué)計(jì)算預(yù)測的M23C6和g相析出相的形成相一致,。如預(yù)期的那樣,，胞壁中較高的位錯(cuò)密度導(dǎo)致鋼在20-900°C時(shí)的屈服率和極限抗拉強(qiáng)度顯著高于鍛鑄型310鋼。高密度沉淀可能發(fā)揮的作用溫和合金強(qiáng)度但幫助穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)800°c的合金化學(xué)改性納米沉淀成核的胞壁是一種非常有前途的戰(zhàn)略發(fā)展獨(dú)特的高強(qiáng)度高溫合金,。