TiN增强型22MnCrNiMo系泊链钢的SLM制备工艺优化与强韧化机制研究

为解决传统锻造+淬回火工艺制备高强钢存在的成形能力受限问题，中国研究人员采用选择性激光熔化(SLM)技术，通过添加0-0.24 wt.% TiN纳米颗粒，系统研究了TiN对22MnCrNiMo系泊链钢微观组织与力学性能的影响。研究发现0.24 wt.% TiN在激光功率175W、扫描速度800mm/s条件下可获得最佳综合性能：抗拉强度1416MPa、延伸率9.7%、冲击功228.4J。该研究为海洋工程用高强钢的增材制造提供了新思路。

　　

海洋工程装备的系泊系统对材料性能有着严苛要求，传统R4级系泊链钢22MnCrNiMo虽具备优异强度，但传统锻造+淬回火工艺存在几何复杂度受限、资源浪费等问题。更棘手的是，随着深海资源开发需求增长，系泊链钢需要同时满足轻量化设计和高精度成形的要求。这些技术瓶颈催生了对新型制备工艺的探索，而金属增材制造技术中的选择性激光熔化(SLM)因其高冷却速率(10⁵-10⁷ K/s)和近净成形能力，成为突破传统工艺限制的曙光。

中国某高校研究团队在《Results in Engineering》发表的研究中，创新性地将纳米TiN颗粒引入SLM制备过程。这种熔点高达2950℃的陶瓷相具有21-25GPa的硬度和590GPa的弹性模量，理论上可通过钉扎晶界和阻碍位错运动提升材料性能。但激光熔池超2000℃的高温可能导致TiN分解，且Ti/N元素溶解度的差异会影响其分布，这些挑战使得TiN在SLM中的应用成为"刀刃上的舞蹈"。

研究采用真空感应熔炼气雾化(VIGA)制备的22MnCrNiMo粉末，与40nm TiN纳米粉通过球磨混合，使用Eplus3D EP-M150系统进行SLM成形。通过设计8组工艺参数组合(激光功率175/200W，TiN含量0-0.5%)，结合SEM、EBSD、TEM等表征手段，系统解析了TiN对微观组织演变和力学性能的影响机制。

微熔池形貌与制备工艺分析显示，0.24% TiN添加量下XY截面呈现正交沉积的扫描轨迹，XZ截面出现典型"鱼鳞状"熔池(直径180μm，深度75μm)。值得注意的是，TiN添加导致粉末床反射率升高，这是纳米颗粒增加光散射效应的结果，这种"光-粉博弈"直接影响成形质量。

物相分析证实材料主相为α-FeM固溶体，TiN添加使XRD主峰左移4°，这是合金原子固溶导致晶格畸变的直接证据。更有趣的是，0.24% TiN样品衍射强度提升约1000计数，揭示TiN通过异质形核促进了结晶过程。

微观组织观察发现SLM成形样品主要由板条马氏体和针状下贝氏体构成。ImageJ统计显示，TiN含量从0%增至0.24%时，马氏体面积分数从47%升至71%。EBSD分析表明TiN使平均晶粒尺寸从3.2μm细化至1.7μm，大角度晶界比例从56%提升至60%，这种"晶界工程"显著提升了材料韧性。TEM观察到TiN以TiN+TiO₂双相固溶体形式存在，其引发的位错增殖效应是强化的关键。

力学性能测试数据颇具说服力：0.24% TiN样品在175W参数下获得1416MPa抗拉强度，较基体提升10.5%；冲击功达228.4J，展现"强韧协同"特性。断口分析显示，适量TiN促使断裂面形成高密度韧窝，而过量(0.5%)添加会导致未熔颗粒增多，反使性能下降。

该研究创新性地提出TiN强韧化双机制模型：一方面，纳米TiN作为"微型路障"阻碍位错运动(弥散强化)；另一方面，其作为形核点细化晶粒，并通过增加大角度晶界比例阻碍裂纹扩展(晶界强化)。特别值得注意的是，SLM特有的快速凝固特性将TiN"冻结"在基体中，避免了传统工艺中颗粒团聚的问题。

这项研究为海洋工程材料的性能定制提供了新范式，其价值不仅在于获得了强度-韧性均衡的TiN增强钢，更开创性地证明了SLM技术在高性能合金设计中的独特优势。正如研究者强调的，0.24% TiN的"黄金比例"启示我们：在材料创新中，有时"少即是多"，精准调控纳米增强相的"量-构-效"关系，方能解锁材料的极限性能。未来，这种"纳米点缀"策略有望拓展至其他极端环境用材的开发中。