多级热处理调控SLM成形17-4PH不锈钢的显微组织与力学性能协同优化

针对SLM成形17-4PH不锈钢因δ-铁素体和残余奥氏体导致的性能缺陷，研究人员通过引入中间调整处理（815°C/0.5h）的多级热处理工艺（STA-IT），实现了强度-塑性协同提升（σUTS=1073 MPa，εf=22%），高温强度（300°C下σUTS提升3.9%）和疲劳性能（540 MPa/107次循环）达锻件水平，为航空航天精密部件应用提供关键技术支撑。

　　

17-4PH不锈钢因其优异的强度、韧性和耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、核工业等高端领域。然而，传统切削加工面临高硬度（≥35 HRC）导致的刀具磨损难题，而新兴的选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术虽能实现复杂构件近净成形，却因高达10³-10⁶ K/s的冷却速率产生非平衡组织——δ-铁素体、残余奥氏体和微米级气孔，导致沉积态材料存在强度波动大、疲劳寿命分散等问题。如何通过热处理调控组织缺陷，成为突破SLM技术工程应用瓶颈的关键。

针对这一挑战，江苏威拉里先进材料科技有限公司等机构的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，创新性地在传统固溶-时效（STA）路径中插入中间调整处理（Intermediate Treatment, IT），系统探究了多级热处理对SLM成形17-4PH钢组织演变与力学性能的影响机制。研究采用EOS 290设备制备试样，通过XRD、EBSD等表征手段结合力学测试，揭示了中间处理对逆奥氏体转变的调控作用，最终获得强度-塑性、高温性能和疲劳寿命的协同优化。

关键技术方法
研究使用粒径15-53 μm的氩气雾化17-4PH粉末，通过SLM工艺（激光功率400W，体积能量密度64.65 J/mm³）制备试样。热处理流程分为三阶段：固溶处理（1040°C/1h）、中间调整（815°C/0.5h）和时效处理（570°C/3h），对比传统STA工艺（省略中间调整）的性能差异。力学性能测试涵盖室温/高温拉伸、弯曲强度和疲劳试验（R=-1，10⁷次循环）。

研究结果

1. 沉积态组织缺陷：原始组织由板条马氏体、残余奥氏体（γ_R）、δ-铁素体及稀疏纳米析出相组成，软相主导和相变诱导塑性（TRIP）效应导致低硬度（220 HV_0.5）和抗拉强度（σ_UTS=878 MPa）。

2. 固溶处理的作用：1040°C固溶彻底消除δ-铁素体，细化马氏体板条（平均尺寸0.47 μm），并析出碳化物和ε-Cu相，使强度显著提升（σ_UTS=1229 MPa，σ_y=691 MPa）。

3. 中间调整的突破性效果：815°C处理进一步将板条尺寸降至0.25 μm。与传统STA工艺（σ_UTS=1305 MPa，ε_f=10%）相比，STA-IT试样实现更优强塑性匹配（σ_UTS=1073 MPa，σ_y=1025 MPa，ε_f=22%），归因于逆奥氏体转变调控应变局域化及纳米析出相阻碍位错运动。

4. 综合性能提升：优化后的材料在300°C高温下保持σ_UTS=912 MPa（较沉积态提升3.9%），弯曲强度>2108 MPa，疲劳极限540 MPa（10⁷次循环），性能媲美锻件。

结论与意义
该研究阐明了多级热处理中组织演变与性能的关联机制：中间调整通过细化板条马氏体和调控逆奥氏体含量，有效缓解了传统STA工艺的强度-塑性倒置问题；纳米ε-Cu相和碳化物的协同析出强化了基体，而适度的逆奥氏体转变延缓了应变集中。这一成果不仅为SLM成形17-4PH钢在涡轮叶片、核反应堆压力容器等关键部件的应用提供了工艺范本，更通过“工艺-组织-性能”关系的系统解析，推动了金属增材制造热处理理论的完善。研究团队Miao Sun等人提出的STA-IT路径，为高精度、高性能金属构件的工业化生产开辟了新思路。