增材制造奧氏體不銹鋼胞狀結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定機(jī)理研究成果

來(lái)源：上海交通大學(xué)材料學(xué)院

近日，上海交通大學(xué)材料學(xué)院塑性成形技術(shù)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(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院張旭教授和德國(guó)馬普鋼鐵所材料可持續(xù)合成課題組組長(zhǎng)馬焱博士（現(xiàn)荷蘭代爾夫特大學(xué)助理教授）等，在增材制造奧氏體不銹鋼胞狀結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性機(jī)理研究中取得了重要進(jìn)展，相關(guān)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(shù)（LPBF）可以實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)雜零部件的高精度成形，已經(jīng)發(fā)展成航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵制造技術(shù)。LPBF制備的金屬材料常具有亞微米尺度的凝固胞狀結(jié)構(gòu)，其含有高密度位錯(cuò)、納米析出相和元素偏析等，對(duì)打印件的力學(xué)性能具有很大的影響。由于增材制造構(gòu)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(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在機(jī)理對(duì)評(píng)估和提高增材制造零部件高溫性能至關(guān)重要。

本文通過(guò)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(jìn)表征技術(shù)結(jié)合三維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)（3D-DDD）模擬手段，系統(tǒng)性揭示了凝固胞狀結(jié)構(gòu)中不同位錯(cuò)類型的形成機(jī)理及其對(duì)熱穩(wěn)定性的影響。如圖1所示，研究發(fā)現(xiàn)：位錯(cuò)胞中絕大部分位錯(cuò)為統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)存位錯(cuò)（SSD），因此其取向差極小（<0.1°）。亞晶界（SGB）往往與凝固胞狀結(jié)構(gòu)邊界重合，并且具有更高的幾何必需位錯(cuò)（GND）。TEM-EDS結(jié)合HR-EBSD結(jié)果表明，在存在Cr元素偏析的位錯(cuò)胞中，螺位錯(cuò)類型占主導(dǎo)地位。而在Cr元素?zé)o明顯偏析的位錯(cuò)胞中，探測(cè)到了刃位錯(cuò)為主的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。上述結(jié)果表明：不同位錯(cuò)類型與Cr元素偏析相關(guān)，這是由于Cr元素偏析導(dǎo)致局部層錯(cuò)能的下降，大大提高了該區(qū)域螺位錯(cuò)的穩(wěn)定性，最終形成螺位錯(cuò)占主導(dǎo)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

圖1 胞狀結(jié)構(gòu)種不同位錯(cuò)類型的形成機(jī)理

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步闡明了不同位錯(cuò)類型對(duì)胞狀結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理（圖2）：螺位錯(cuò)可以促進(jìn)位錯(cuò)從位錯(cuò)胞/SGBs中脫釘，導(dǎo)致其具有較高的遷移/湮滅能力。相比之下，刃位錯(cuò)占主導(dǎo)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)遷移需要位錯(cuò)之間相互協(xié)同運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中，不斷捕獲相鄰的位錯(cuò)，因此，其取向差的增大或降低取決于相鄰位錯(cuò)的符號(hào)。本研究強(qiáng)調(diào)了位錯(cuò)類型在凝固胞狀結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性中的重要作用。此外，研究成果還為如何通過(guò)調(diào)節(jié)局部化學(xué)成分/層錯(cuò)能實(shí)現(xiàn)對(duì)位錯(cuò)類型的調(diào)控提供新的思路。

圖2 位錯(cuò)類型對(duì)亞晶界/位錯(cuò)胞熱穩(wěn)定性影響

研究團(tuán)隊(duì)感謝云耀深維（江蘇）在LPBF樣品制備上提供的技術(shù)支持。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52101022, 12222209, 52101202）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFE0196600）的資助，也是團(tuán)隊(duì)近期在增材制造奧氏體不銹鋼凝固胞狀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理（Materials Research Letters 2024, 12(1):42-49）和高強(qiáng)韌機(jī)理（International Journal of Plasticity, 2023,170:103769）基礎(chǔ)上的進(jìn)一步拓展。