通过优化工艺参数来调控定向能量沉积（DED）法制备的添加铌的316L不锈钢的凝固过程和强度提升

《Journal of Materials Research and Technology》：Tailoring solidification and strength enhancement through process parameter optimization in Nb-added 316L stainless steel fabricated by directed energy deposition (DED)

本研究通过调整扫描速度和激光功率，探究了添加2%Nb的316L不锈钢在DED加工中的工艺-微观结构-力学性能关系。结果表明，提高扫描速度导致熔池尺寸减小、温度梯度增大，促使凝固组织从树枝状向胞状转变，而激光功率增加则引起冷却速率降低和凝固结构粗化。铌的偏析效应在快速冷却下抑制了晶核形成，导致异常粗化，显著降低强度。该发现揭示了传统316L不锈钢工艺优化策略无法直接应用于铌改性合金，需结合合金偏析特性进行定向优化。

　　在现代制造业中，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术因其能够制造复杂几何形状的部件而备受关注。特别是定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）工艺，它通过实时熔化金属粉末并在基板或现有零件上直接沉积来构建三维结构。这种技术不仅在航空航天、汽车、医疗和国防等高端行业中具有重要应用，还因其能够修复受损部件或制造功能零件的能力而受到重视。然而，尽管DED工艺具有诸多优势，其制造过程中的参数控制仍然面临挑战。这些参数包括激光功率、扫描速度和粉末输送速率等，它们共同决定了熔池的尺寸、形状以及稳定性，从而影响最终产品的质量与性能。

316L不锈钢是一种广泛应用的奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steel, ASS），因其出色的耐腐蚀性和延展性而在多个工业领域中发挥着关键作用。然而，316L不锈钢的屈服强度相对较低，这限制了其在某些结构应用中的使用。为了改善这一缺陷，研究人员尝试通过添加合金元素来增强其机械性能。其中，铌（Nb）作为一种有效的合金元素，因其能够促进晶粒细化、固溶强化以及增加变形孪晶密度而受到关注。在DED工艺中，添加2%重量比的铌可以显著提升316L不锈钢的强度，同时在一定程度上保留其延展性。然而，这种合金元素的引入也带来了新的挑战，因为Nb的热力学和动力学行为可能与传统316L不锈钢不同，从而改变其固化的路径和最终的微观结构。

为了深入理解DED工艺中这些参数如何影响316L不锈钢及其Nb改性合金的微观结构和机械性能，本研究对不同扫描速度和激光功率下的样品进行了系统的分析。研究结果显示，扫描速度的增加会减小熔池尺寸并提升温度梯度，从而促进从枝晶结构向胞状结构的转变。这一转变对于材料的硬度和强度具有重要影响。具体而言，枝晶结构由于Nb在枝晶边界上的强偏析作用，能够提供更高的硬度和强度，而以胞状结构为主的样品（如扫描速度为1.2 m/min的条件）则表现出最低的机械性能。这表明，在DED工艺中，扫描速度对固态结构形态的影响是关键因素。

激光功率的变化则对冷却速率产生显著影响。当激光功率增加时，熔池尺寸扩大，冷却速率降低，这会导致固态结构的粗化，进而降低材料的强度。值得注意的是，在快速冷却条件下，Nb的偏析行为可能会抑制新晶核的形成，同时促进异常的固态结构生长，从而表现出与传统316L不锈钢不同的特性。例如，在扫描速度为1.2 m/min、激光功率为350 W的条件下，尽管冷却速率较高，但由于Nb的偏析效应，样品的固态结构尺寸反而增大，表现出与常规冷却速率预期相反的行为。

此外，研究还发现，Nb的偏析不仅影响了固态结构的尺寸，还对机械性能产生了深远的影响。通过显微硬度测试和拉伸试验，研究人员确认了不同扫描速度和激光功率条件下样品的硬度和强度变化。结果表明，较低的扫描速度和较高的激光功率有助于形成细小的枝晶结构，从而提升材料的硬度和强度。然而，在扫描速度为1.2 m/min的情况下，由于胞状结构的主导作用，材料的机械性能显著下降。这进一步强调了Nb偏析对材料性能的复杂影响，尤其是在快速冷却条件下。

本研究还利用电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）技术对样品的晶粒尺寸进行了分析。结果显示，所有条件下的平均晶粒尺寸在20-29微米之间，几乎没有明显变化。这意味着材料的机械性能差异主要来自于固态结构的形态和尺寸，而非晶粒大小本身。因此，优化DED工艺参数时，需要更加关注固态结构的演变及其对材料性能的影响。

在机械性能方面，研究通过显微硬度测试和拉伸试验发现，不同工艺参数下样品的硬度和强度存在显著差异。例如，在扫描速度为0.6 m/min、激光功率为350 W的条件下，样品表现出较高的硬度和强度，而在扫描速度为1.2 m/min、激光功率为400 W的条件下，样品的硬度和强度均显著降低。这种变化与固态结构的形态和尺寸密切相关，尤其是Nb偏析对枝晶边界的影响。在枝晶结构中，Nb的偏析作用增强了边界强化效应，从而提升了材料的强度和硬度。然而，在胞状结构主导的条件下，由于边界密度降低，这种强化效应被削弱，导致机械性能下降。

这些发现表明，传统的316L不锈钢工艺优化窗口并不能直接应用于Nb改性的合金。因此，为了实现DED工艺中Nb添加不锈钢的可靠微观结构和机械性能，必须结合合金特性的偏析行为进行参数优化。这一研究为未来的DED工艺优化提供了重要的理论依据和实践指导，特别是在合金元素对固态结构和性能的影响方面。通过深入理解这些关系，研究人员可以更好地设计和控制DED工艺，以满足不同应用对材料性能的需求。

此外，本研究还通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和能量色散光谱（Energy-Dispersive Spectroscopy, EDS）技术，对样品的微观结构和元素分布进行了详细分析。结果表明，Nb在枝晶边界上的偏析作用尤为显著，这种偏析不仅影响了材料的硬度，还对拉伸性能产生了影响。通过这些分析，研究人员能够更清晰地识别不同工艺参数对材料性能的具体影响机制，从而为未来的工艺改进提供科学支持。

综上所述，本研究揭示了DED工艺中扫描速度和激光功率对316L不锈钢及其Nb改性合金的微观结构和机械性能的影响机制。通过系统的实验分析，研究人员发现，扫描速度的增加会导致熔池尺寸减小和温度梯度增大，从而促进从枝晶结构向胞状结构的转变。这种转变不仅影响了材料的硬度和强度，还对整体性能产生了重要影响。同时，激光功率的变化会降低冷却速率，导致固态结构的粗化，进而影响材料的强度。在快速冷却条件下，Nb的偏析行为可能会抑制新晶核的形成，促进异常的固态结构生长，这与传统316L不锈钢的预期行为有所不同。

这些结果强调了在DED工艺中，工艺参数的优化需要考虑合金元素的特殊行为，特别是Nb的偏析效应。传统的优化策略可能无法适用于Nb改性的合金，因此必须开发新的参数优化方法，以实现理想的微观结构和机械性能。本研究通过系统的实验分析和理论探讨，为这一领域的进一步研究提供了重要的参考，并展示了如何通过精确控制工艺参数来改善Nb添加不锈钢的性能。这不仅有助于推动DED技术在高端工业领域的应用，也为材料科学和制造工艺的交叉研究提供了新的思路。