東南大學(xué)孫桂芳團隊《MSEA》：水下30米環(huán)境的激光增材制造！

來源 :材料科學(xué)與工程

除水下電弧焊接和水下激光焊接外，基于送粉式的激光直接金屬沉積（Underwater laser direct metal deposition, UDMD）技術(shù)可為水下破損零部件的原位修復(fù)提供一種新的方法。高氮鋼（High nitrogen steel, HNS）具備優(yōu)良的力學(xué)性能和的耐蝕性能，在海洋工程結(jié)構(gòu)中具有很大的應(yīng)用潛力。然而，在高氮鋼的制備和修復(fù)過程中往往伴隨著氮流失以及氮氣孔形成等棘手難題，這將限制高氮鋼構(gòu)件的應(yīng)用。

近日，東南大學(xué)孫桂芳研究團隊在水下30米環(huán)境中（環(huán)境壓力：0.3 MPa），基于UDMD技術(shù)采用氮含量為0.42 wt.%的高氮鋼粉末原位修復(fù)了破損高氮鋼基板，并與陸上修復(fù)結(jié)果進行對比研究。結(jié)果表明，UDMD技術(shù)所具備的特性避免了上述高氮鋼制備過程中存在的棘手難題，系統(tǒng)地揭示了水下高壓環(huán)境對氮行為、相變以及力學(xué)性能的影響機理，本研究可為高氮鋼的制備及修復(fù)提供了一種全新思路。相關(guān)工作以“Influence mechanisms of underwater hyperbaric environment on nitrogen behavior, phase evolution, and mechanical properties of high nitrogen steel repaired by underwater laser direct metal deposition”為題發(fā)表在《Materials Science and Engineering: A》上。孫桂芳教授為論文通訊作者，楊坤為論文第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144967

高氮鋼熔池凝固后，氮溶解度極低的鐵素體首先析出，導(dǎo)致殘余液相中氮濃度升高，為氮氣孔形核提供前提條件。陸上修復(fù)試樣中沉積區(qū)域存在肉眼可見的氮氣孔，試樣內(nèi)部氮流失嚴重。在UDMD過程中，增大的環(huán)境壓力大幅提升了熔池內(nèi)的氮溶解度，避免了氮氣孔形成；同時水下高壓引發(fā)的加壓氮化效應(yīng)，使得沉積區(qū)域的氮含量高于原始粉末，水下修復(fù)試樣中的奧氏體占比得以提升。

陸上修復(fù)試樣中奧氏體表現(xiàn)為三種形態(tài)，分別為晶界奧氏體（WA）、魏氏體狀奧氏體（WA）以及晶內(nèi)奧氏體（IGA），而水下修復(fù)試樣中的奧氏體僅表現(xiàn)為GBA。鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變包含兩種不同機制，分別是高溫時的擴散轉(zhuǎn)變以及相對低溫時的切變轉(zhuǎn)變。氮在鐵素體中溶解度極低，在凝固過程中枝晶間富集了大量的氮，GBA通過擴散轉(zhuǎn)變機制形成；凝固結(jié)束后，陸上修復(fù)試樣中緩慢的空冷可保證充足的奧氏體轉(zhuǎn)變時間，故而，WA和IGA分別在GBA和鐵素體中通過切變轉(zhuǎn)變機制形核并生長。在UDMD過程中，水冷效應(yīng)促進了水下修復(fù)試樣沉積區(qū)域的冷卻，抑制了相對低溫時的奧氏體切變轉(zhuǎn)變。

奧氏體形核界面分為有理性構(gòu)型和無理性構(gòu)型，GBA是在高溫時通過擴散轉(zhuǎn)變機制而來的，此時的有理性構(gòu)型與無理性構(gòu)型作為奧氏體成核界面的能量壁壘差較小，二者均可作為奧氏體形核界面。在這種情況下，并非所有的鐵素體-奧氏體界面都完全符合KS/NW界面。WA/IGA是在相對低溫時基于無理性構(gòu)型作為形核界面析出的，相對低溫會引發(fā)較大的形核過冷度，促進KS/NW界面產(chǎn)生；此外，基于切變機制而來的WA/IGA會誘導(dǎo)奧氏體沿著KS/NW界面形核/生長。因此，陸上修復(fù)試樣中的KS/NW界面遠高于水下修復(fù)試樣，且陸上修復(fù)試樣的KS/NW界面主要集中在WA/IGA-鐵素體邊界處。

氮的固溶強化主要來自鐵素體，水下修復(fù)試樣雖固溶了更多的氮，但由此引發(fā)的奧氏體占比提升使得固溶強化稍弱于空氣修復(fù)試樣。水冷效應(yīng)提升了水下修復(fù)試樣的位錯密度并細化了晶粒尺寸，得益于此，無氣孔缺陷的水下修復(fù)試樣的抗拉強度、延伸率及沖擊韌性均高于陸上修復(fù)試樣。

圖1 陸上修復(fù)試樣（a）及水下修復(fù)試樣（b）的表面形貌和橫截面

圖2 陸上修復(fù)試樣（a-f）及水下修復(fù)試樣（g-l）EBSD分析對比結(jié)果

圖3 陸上修復(fù)試樣及水下修復(fù)試樣沉積區(qū)域微觀組織演變機理示意圖

圖4 本研究中修復(fù)試樣的力學(xué)性能與同類試樣對比