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  • 北科大發表增材制造頂刊綜述: 增材制造奧氏體不銹鋼的亞穩態胞狀結構!
    2021-01-14 11:17:14 作者:本網整理 來源:自材料學網微信 分享至:

     導讀:近日,北京科技大學新材料技術研究院董超芳教授結合團隊近五年在金屬增材制造領域的研究成果以About metastable cellular structure in additively manufactured austenitic stainless steels為題在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上發表綜述。近年來,其團隊增材制造相關工作陸續發表在Corros Sci (2020:166,108425; 2020:166,108427; 2020:167,108520); J Mater Sci Tech (2019:35(7),1499-1507; 2020:46,145-155); Appl Surf Sci (2020:504,144495; 2019:467, 193-205); J Alloy Compd (2019:785,826-837; 2019:803,637-648)等期刊。


    增材制造金屬在成形過程中會產生特殊的組織結構,除了魚鱗狀的熔池線以外,亞微米級的胞狀結構展示出了獨特的性能。這種亞穩態的胞狀結構具有兩個明顯特征:1)部分元素偏聚在胞壁處;2)大量位錯纏結在胞壁處。這種特殊結構對材料的力學和腐蝕行為均產生了重大的影響,其形成原因、結構特征、熱力學穩定性以及性能相關的研究是增材制造領域研究的重點。

    本文以奧氏體不銹鋼為例,綜述了其胞狀結構的形成動力學、生長取向、晶體學特征、元素(或析出相)和位錯富集原因以及其強韌化、耐蝕機理。最后,作者展望了如何利用胞狀結構設計高性能增材制造金屬。

    論文鏈接:

    https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101804
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    綜述強調了胞狀結構在增材制造金屬中的普遍性,列舉了大量金屬中存在這種結構并指出了各個合金在胞壁處富集的元素。作者從快速凝固理論出發,指出增材制造過程中較高的冷卻速度是造成這種胞狀結構的主要原因,這種胞狀結構也可認為是無二次枝晶臂的枝晶結構,其三維結構呈圓柱狀,根據觀察的角度不同,其形貌可為近圓形或平行的枝晶狀。胞狀結構的生長方向由最快生長晶體學取向和局部的溫度梯度場共同決定的,對于FCC或BCC結構,其最快生長方向為最接近溫度梯度場的[100]方向。

    胞狀結構壁處的元素偏聚可用傳統的溶質原子再分配理論進行很好的解釋。結合大量文獻,目前認可度較高的解釋是這種位錯胞狀結構是由于在逐層熔融凝固過程中產生較高的熱應力,在高溫下這種內應力超過材料的屈服強度,從而誘發塑性變形產生位錯增殖,而位錯在運動過程中由于偏聚元素對位錯的釘扎作用,從而使得位錯在胞壁處富集。

    表1激光選區熔化成形合金胞壁處的元素富集結果。

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    圖1(a)不同凝固組織形態的示意圖;(b)從熔池邊界開始外延生長的的胞狀結構三維視圖;(c)激光選區熔化成形316L不銹鋼 中的胞狀結構的橫截面和縱向截面形貌。

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    圖2 (a)激光選區熔化成形316L不銹鋼胞狀位錯結構形貌和(b)模擬逐層熔融凝固過程中存在拉伸-壓縮內應力。

    通過改變工藝參數,如改變激光掃描速度等,或者添加納米級第二相,則可以很大程度上改變胞狀結構的尺寸,進而改變材料的性能。以316L奧氏體不銹鋼為例,這種胞狀結構能極大提高材料的強度,包括屈服強度、抗拉強度以及異質變形應力,同時,材料的塑性也不降低甚至有所提高。主要原因是胞狀結構壁雖能夠阻礙位錯運動,但不能完全抑制位錯穿過胞壁;同時,變形過程中納米孿晶可從胞壁處萌生,從而形成納米孿晶和胞狀結構纏結的三維網絡結構,協調變形。由此可知,胞狀結構的連貫性異常重要,若在熔池邊界發生斷聯,則在變形過程中會產生較明顯應力集中。
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    圖3(a1-a4)不同激光掃描速度下成形的316L不銹鋼的胞狀結構,以及(b-d)溫度場的模擬結果。
     
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    圖4  變形后的激光選區熔化成形 316L 不銹鋼的STEM顯微照片:(a)明場STEM圖像中的高密度納米孿晶;(b)簇狀納米孿晶和孿晶邊界的原子結構,孿晶和基體分別為藍色和黃色。(c)變形中穿過胞狀邊界位錯的原位TEM觀察;(d)激光選區熔化316L 不銹鋼的屈服強度和延展性數據對比;(e)激光選區熔化和鍛造退火316L不銹鋼的應變硬化率和真應力的比較。

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    圖5 (a)激光選區熔化和鍛造退火316L 不銹鋼加載-卸載-再加載曲線;(b)變形過程中形變誘導應力隨形變量的演變;(c)不同界面對位錯運動的阻礙示意圖;(d)胞狀結構和晶界誘導異質變形應力隨應變的演變規律。

    胞狀結構的存在也提高了不銹鋼的鈍化能力,主要原因在于胞壁和胞內存在微電勢差,這種微電偶效應促使胞內鈍化膜快速生長;同時,胞壁處位錯富集也是鈍化膜優先形核的位點,二者耦合促使增材制造不銹鋼表面生成比鍛造材料更厚的鈍化膜,從而提高材料的耐蝕性能。胞壁處的位錯也是缺陷、間隙原子存在的低能區域,因此,胞狀結構的存在使得材料的抗輻照損傷能力增強等。

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    圖6 (a, b)激光選區熔化316L 不銹鋼的SKPFM結果;(c)跨過熔池邊界的輪廓及電位分布結果;(d)在相同溶液環境(硼酸緩沖液)下,不同鈍化電位下鈍化電流密度的降低速率對比;(e)鍛造退火和(f)激光選區熔化316L不銹鋼在相同成膜條件下的厚度對比。

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    圖7(a-e)鍛造退火和(f-j)激光選區熔化316L 不銹鋼在不同輻照條件下的TEM結果;(k, l)在輻照條件下,空位和氦泡等在胞狀結構處的分布情況。

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    圖8 增材制造胞狀結構設計思路以及其組織結構特征與性能的關聯示意圖。

    綜上所述, 胞狀結構不同于傳統的凝固亞結構,具有很多特殊性能。今后通過對胞狀結構進行優化改性,進一步提高材料的性能是一個研究的重點,可通過改變工藝參數、合金化或者后續處理等手段。

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