增材制造奧氏體不銹鋼胞狀結構熱穩(wěn)定機理研究成果

來源：上海交通大學材料學院

近日，上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院陳軍教授課題組安大勇副教授，聯(lián)合西南交通大學力學與航空航天學院張旭教授和德國馬普鋼鐵所材料可持續(xù)合成課題組組長馬焱博士（現(xiàn)荷蘭代爾夫特大學助理教授）等，在增材制造奧氏體不銹鋼胞狀結構熱穩(wěn)定性機理研究中取得了重要進展，相關成果以“The Role of Dislocation Type in the Thermal Stability of Cellular Structures in Additively Manufactured Austenitic Stainless Steel”為題發(fā)表在Advanced Science上（https://doi.org/10.1002/advs.202402962）。

激光粉末床熔融技術（LPBF）可以實現(xiàn)金屬復雜零部件的高精度成形，已經(jīng)發(fā)展成航空航天等領域的關鍵制造技術。LPBF制備的金屬材料常具有亞微米尺度的凝固胞狀結構，其含有高密度位錯、納米析出相和元素偏析等，對打印件的力學性能具有很大的影響。由于增材制造構件常服役于高溫環(huán)境，打印組織的熱穩(wěn)定性決定了其服役可靠性。因此，揭示影響胞狀結構熱穩(wěn)定性的關鍵因素及其內在機理對評估和提高增材制造零部件高溫性能至關重要。

本文通過原位電子通襯度成像（ECCI）、高分辨電子背散射衍射（HR-EBSD）等先進表征技術結合三維離散位錯動力學（3D-DDD）模擬手段，系統(tǒng)性揭示了凝固胞狀結構中不同位錯類型的形成機理及其對熱穩(wěn)定性的影響。如圖1所示，研究發(fā)現(xiàn)：位錯胞中絕大部分位錯為統(tǒng)計儲存位錯（SSD），因此其取向差極小（<0.1°）。亞晶界（SGB）往往與凝固胞狀結構邊界重合，并且具有更高的幾何必需位錯（GND）。TEM-EDS結合HR-EBSD結果表明，在存在Cr元素偏析的位錯胞中，螺位錯類型占主導地位。而在Cr元素無明顯偏析的位錯胞中，探測到了刃位錯為主的位錯結構。上述結果表明：不同位錯類型與Cr元素偏析相關，這是由于Cr元素偏析導致局部層錯能的下降，大大提高了該區(qū)域螺位錯的穩(wěn)定性，最終形成螺位錯占主導的位錯結構。

圖1 胞狀結構種不同位錯類型的形成機理

研究團隊進一步闡明了不同位錯類型對胞狀結構熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律及其內在機理（圖2）：螺位錯可以促進位錯從位錯胞/SGBs中脫釘，導致其具有較高的遷移/湮滅能力。相比之下，刃位錯占主導的位錯結構遷移需要位錯之間相互協(xié)同運動，大大降低了其遷移速度，從而表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性。SGBs遷移過程中，不斷捕獲相鄰的位錯，因此，其取向差的增大或降低取決于相鄰位錯的符號。本研究強調了位錯類型在凝固胞狀結構熱穩(wěn)定性中的重要作用。此外，研究成果還為如何通過調節(jié)局部化學成分/層錯能實現(xiàn)對位錯類型的調控提供新的思路。

圖2 位錯類型對亞晶界/位錯胞熱穩(wěn)定性影響

研究團隊感謝云耀深維（江蘇）在LPBF樣品制備上提供的技術支持。上述研究工作得到了國家自然科學基金（52101022, 12222209, 52101202）和國家重點研發(fā)計劃（2022YFE0196600）的資助，也是團隊近期在增材制造奧氏體不銹鋼凝固胞狀結構演變機理（Materials Research Letters 2024, 12(1):42-49）和高強韌機理（International Journal of Plasticity, 2023,170:103769）基礎上的進一步拓展。