细胞结构对激光粉末床熔融工艺制备的马氏体时效不锈钢中奥氏体分布及低温力学性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Effect of the cellular structure on austenite distribution and cryogenic mechanical properties of maraging stainless steel processed by laser powder bed fusion

L-PBF制备的Fe-Cr-Ni-Co-Mo马氏体不锈钢中细胞结构通过元素偏析（Cr/Mo富集于壁部）影响奥氏体形态与分布，导致均匀化处理（1775）试样的低温力学性能优于未处理（775）试样，其强度（1697 vs. 1606 MPa）、延展性（26% vs. 16%）和冲击能量（44 vs. 7 J）显著提升，源于板条状奥氏体更好的应变诱导马氏体相变（TRIP）效应。

　　这项研究聚焦于通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术制备的Fe-Cr-Ni-Co-Mo型马氏体不锈钢的微观结构及其对材料性能的影响。马氏体不锈钢因其高强度、良好的可焊性和耐腐蚀性，被广泛应用于液化天然气（LNG）低温换热器、压力容器等严苛环境中。然而，随着对材料性能需求的提升，传统的制造方法在实现复杂结构和功能化设计方面存在局限。L-PBF技术凭借其能够制造复杂几何形状和高度定制化组件的能力，成为新一代制造技术的重要选择。

在L-PBF过程中，材料经历极快的冷却速率，从而形成独特的微观结构特征。其中，细胞结构是L-PBF钢的一个显著特征，它能够显著增强奥氏体钢的强度和延展性。然而，对于经历奥氏体-马氏体相变的马氏体不锈钢，细胞结构对材料性能的影响更为复杂。因此，本研究通过对比具有和不具有细胞结构的L-PBF Fe-Cr-Ni-Co-Mo马氏体不锈钢的微观结构和机械性能，深入探讨了细胞结构在这些材料中的作用机制。

研究结果显示，原始状态（as-built）的L-PBF不锈钢呈现出约0.52微米的细胞结构，其中Cr和Mo元素在细胞壁处发生显著偏析。这种偏析在后续的均质化处理后会消失。进一步分析表明，原始状态的样品在直接固溶处理和时效处理后保留了约22.6%的奥氏体，呈现出岛屿状的微观结构；而经过均质化处理的样品则保留了约18.6%的奥氏体，呈现出片状结构。这一差异源于元素偏析对奥氏体稳定性的影响，细胞壁处的偏析有助于稳定奥氏体，而片状奥氏体的连续性则受到破坏。

在常温（23°C）下，均质化处理后的样品表现出更高的强度和延展性。而在极低温（-196°C）下，这种优势更加明显。均质化处理后的样品的屈服强度为1697 MPa，极限强度为1737 MPa，延展率为26%，冲击能量为44 J；相比之下，原始状态的样品屈服强度为1606 MPa，极限强度为1658 MPa，延展率为16%，冲击能量为7 J。这种性能差异可以归因于不同形态的奥氏体对材料断裂行为的影响。原始状态样品中的岛屿状奥氏体在裂纹扩展过程中表现出较低的抗裂能力，导致更多次级裂纹的产生；而均质化处理后的样品中的片状奥氏体则具有异质壳层结构，能够经历更大的应变诱导马氏体相变，从而产生更强的相变诱导塑性（TRIP）效应。

从材料加工的角度来看，细胞结构的形成是L-PBF过程中的一个关键特征。在奥氏体钢中，细胞结构被证明能够显著提升其机械性能，其高密度的位错和溶质偏析有助于位错钉扎和纳米级孪晶的形成，从而同时增强强度和延展性，并打破传统强度与延展性之间的权衡关系。此外，细胞结构还被视作稳定的“软”障碍物，能够阻碍位错运动，从而在增强强度的同时保持延展性。

然而，对于马氏体不锈钢而言，L-PBF过程中的细胞结构会对其奥氏体相的分布和性能产生不同的影响。已有研究表明，细胞结构的存在会导致奥氏体在时效处理过程中沿细胞壁快速回火，而缺乏细胞结构的样品则只能保留少量的奥氏体。此外，Chou等人研究了L-PBF加工的热作工具钢的原始微观结构，发现细胞结构中富集的合金元素能够降低这些区域的马氏体开始温度（M_s），从而在L-PBF加工后沿细胞壁保留奥氏体。这表明，细胞结构在L-PBF马氏体不锈钢中对奥氏体的保留和回火行为具有显著影响。

在传统制造方法下，奥氏体相在马氏体不锈钢中的作用主要体现在其对材料延展性和韧性的影响。尤其是在低温条件下，奥氏体相能够有效抑制裂纹扩展，并在变形过程中吸收能量、缓解局部应力，从而显著提升材料的延展性和韧性。然而，Han和Chen等人的研究指出，块状保留的奥氏体对马氏体不锈钢的低温冲击韧性贡献有限。因此，有必要进一步研究L-PBF加工过程中细胞结构对奥氏体相特性变化的影响，从而更全面地理解其对材料韧性的作用。

本研究选择了一种新型的Fe-Cr-Ni-Co-Mo马氏体不锈钢，该材料在锻造状态下已被证明具有优异的低温强度和韧性。通过对比具有和不具有细胞结构的样品，研究了细胞结构对奥氏体分布及低温机械性能的影响。研究结果表明，细胞结构在L-PBF马氏体不锈钢中对奥氏体的形态和分布具有重要影响，同时也影响了材料在低温下的拉伸性能和冲击韧性。

从材料设计的角度来看，L-PBF技术为实现复杂结构和功能化设计提供了前所未有的可能性。然而，这种技术在制造过程中形成的细胞结构可能会对材料的性能产生复杂的相互作用。因此，如何优化细胞结构以提升材料的综合性能，成为当前研究的一个重要方向。均质化处理作为一种有效的工艺手段，被证明能够消除细胞结构，从而改善L-PBF马氏体不锈钢的性能。这表明，在实际应用中，根据材料性能需求，选择适当的加工和后处理工艺对于优化L-PBF马氏体不锈钢的性能至关重要。

研究过程中，采用了多种先进的表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和能谱分析（EDS）等。这些技术的应用有助于深入理解材料的微观结构特征及其与性能之间的关系。例如，SEM图像显示了L-PBF加工样品的熔池形态和细胞结构分布，而TEM-EDS分析则揭示了细胞结构内部和外部的元素偏析情况。这些分析结果为后续的性能评估提供了重要的基础。

此外，研究还采用了多种机械性能测试方法，包括拉伸测试和冲击测试，以评估材料在不同温度条件下的性能表现。测试结果表明，均质化处理后的样品在低温下表现出更高的强度和韧性，这与其奥氏体形态的变化密切相关。因此，理解细胞结构对奥氏体形态的影响，对于优化L-PBF马氏体不锈钢的低温性能具有重要意义。

综上所述，本研究系统地探讨了L-PBF过程中形成的细胞结构对马氏体不锈钢中奥氏体相的形态和分布的影响，以及其对材料低温性能的作用机制。研究结果表明，细胞结构在L-PBF马氏体不锈钢中对奥氏体的保留和回火行为具有显著影响，同时也影响了材料在低温下的拉伸性能和冲击韧性。通过对比具有和不具有细胞结构的样品，研究揭示了细胞结构对材料性能的复杂作用，为优化L-PBF马氏体不锈钢的性能提供了理论依据和实践指导。