上科大 l 达1408.6MPa,多相异质结构钢强度翻倍,基于增材制造的高强高韧合金构筑设计新方法

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通过LPBF过程中的本征热处理,巧妙地在铁素体/马氏体钢中构建了具有多尺度的异构组织,所得样品强度从727.6 MPa提升至1408.6 MPa,均匀延伸率从6.2%提升至9.3%,上海科技大学智造系统工程中心(CASE)提出了基于增材制造的高强高韧合金构筑设计新方法,该项成果以“Heterogeneous structure architected by additive manufacturing: facile route towards strong and ductile steel”为题发表在材料领域知名期刊《材料研究快报》(Materials Research Letters)上,上海科技大学是该研究的第一完成单位,CASE的2021级博士研究生宣宇为第一作者,张振波教授为通讯作者。


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▲https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2024.2314145

业界对不锈钢的关注通常跟汽车制造领域相关联,不过航空航天、能源等领域对不锈钢材料的采用正在呈多样化需求发展趋势。一个典型的案例是SpaceX的一大努力是将材料尽可能多的用不锈钢来替代,最初能避免被替换掉的是那些暴露在高温富氧气体燃烧环境中的零件,但最终马斯克成功地将大部分零件材料都换成了不锈钢。

Sh Tech 1▲增材制造金属材料市场预测

© AMPower

不仅仅是航空航天,根据《中国核动力研究设计院:核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》,钢在核电领域的应用也颇具潜力,增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性,但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比,经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前,核电用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段,后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。

根据3D科学谷的市场观察,新的加工技术正在赋能新材料开发:通过加工工艺与材料开发的深度结合,纳米材料增强合金、等轴细晶合金、梯度合金、非晶态金属、自愈合合金、超导材料、金属有机骨架材料的研发从微观层面上呈现出材料技术的潜能。

激光粉末床熔融(LPBF)技术在多方面展现出超越传统制造方法的显著优势。它不仅为制造业带来了革新性的技术突破,而且LPBF作为一种新的冶金方式,具有极高的温度梯度、极快的凝固速率以及复杂热历史等特点,使得通过LPBF技术制备具有新颖微观组织和优异力学性能的合金成为可能。
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© 3D科学谷白皮书

block 新的组织构筑方式

上海科技大学智造系统工程中心(CASE)的张振波课题组提出了一种新的组织构筑方式,即通过LPBF技术在微观尺度(熔池尺度)上构筑具有异质结构的合金,并在铁素体/马氏体钢中获得成功验证,使得该核电用钢的强度和韧性均获得大幅提升,结合3D打印一体化成形的技术优势,可以显著提升其作为核电结构用钢的使役性能。

 

Sh Tech 2▲LPBF T91钢的显微组织信息(a-f)及微观结构形成机制的示意图(g,h)

上海科技大学智造系统工程中心(CASE)的研究利用 LPBF 过程中相邻道和相邻层之间本征热处理,在铁素体/马氏体钢(T91)中实现了熔池尺度的微观结构设计与构筑,得到了由粗大δ铁素体、细小马氏体和残余奥氏体的多尺度异质结构,并显示出优异的机械性能。与铸造和锻造的同类钢相比,LPBF制造的多相异质结构钢在强度(从727.6MPa增加到1408.6MPa)和均匀伸长率(从6.2%增加到9.3%)方面均表现出显着提高。

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▲ LPBF T91钢的优异力学性能

为了深入理解该新型结构如何影响材料力学性能和变形行为,研究人员利用课题组开发的原位HRDIC(高分辨数字图像相关技术)结合原位EBSD技术,研究了合金在加载过程中的微观变形机制。结果表明,异质结构中的不同区域在塑性变形过程中逐级变形且相互作用,促进了几何必需位错(GNDs)的生成,显著提高了合金的应变硬化能力,在提高强度的同时提高了合金的韧性,突破了传统强度和韧性的倒置关系。

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▲ LPBF T91 钢拉伸试验过程中的原位 EBSD 表征

block 研究亮点

1. 通过LPBF过程中的本征热处理,巧妙地在铁素体/马氏体钢中构建了具有多尺度的异构组织,这种结构包含粗大δ铁素体、细小马氏体和残余奥氏体,实现了微观组织的多尺度构筑。

2. 与传统制造方法相比,LPBF技术制备的铁素体/马氏体钢在强度和均匀延伸率方面均有显著提升,其强度从727.6 MPa提升至1408.6 MPa,均匀延伸率从6.2%提升至9.3%。

3. 通过原位EBSD和HRDIC(高分辨数字图像相关)等表征手段揭示了其微观变形机制,其逐级变形方式和异构组织引入的高密度几何必需位错是材料强韧化协同提升的原因。

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▲ 原位HRDIC记录的LPBF T91的微观结构应变演化

LPBF 技术在构筑异构组织合金的尝试,表明基于LPBF 技术的微观结构设计是制备具有新颖微观组织和优异力学性能合金的可行方法。未来,上海科技大学智造系统工程中心研究团队将进一步利用LPBF的工艺特点,结合多尺度原位力学表征手段,探索在不同合金体系中设计构筑具有优异综合力学性能的新结构。

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