激光粉末床熔融316L不锈钢的深冷-高能喷丸协同改性：表面与基体性能同步提升

针对激光粉末床融合（L-PBF）制备的316L不锈钢存在表面粗糙度高（Sa达10–20 μm）、基体强化不足的难题，西北工业大学团队创新性地提出深冷处理（DCT）与高能喷丸（HESP）的序列复合工艺（DH）。该研究通过DCT预引入纳米孪晶与晶格扩张，显著增强了HESP的剧烈塑性变形能力，实现表面粗糙度降低63.7%（Sa=3.94±0.25 μm），强化层深度增至91 μm（较单一HESP提升225%），同时获得超高强度（屈服强度794.3 MPa，抗拉强度906.9 MPa）与优异塑性（断裂延伸率26.4%）的协同提升。这项工作为增材制造合金的表面/基体协同优化提供了新范式。

　　

增材制造技术如同魔法般将金属粉末转化为复杂零件，其中激光粉末床融合（L-PBF）更是航空航天和医疗植入体制造的明星工艺。然而当这种技术应用于316L不锈钢——这种广泛应用于人体骨骼固定和核反应堆内壁的"金属卫士"时，却面临着一个尴尬的困境：零件内部虽然天生自带高密度位错和胞状亚结构，强度堪比锻造材料，但其表面却布满未熔粉末和层间台阶，粗糙度（S_a）高达10-20微米，堪比砂纸表面。这些微观沟壑不仅影响精密装配，更会成为应力集中点，在服役中诱发裂纹，导致植入体提前失效或反应堆部件泄漏。

传统解决方案陷入两难：机械加工会因材料的高韧性而加速刀具磨损；激光冲击强化（LSP）对粗糙表面束手无策；高能喷丸（HESP）虽能改善表面，但其形成的强化层仅如薄纸般脆弱（<28微米），无法提升零件整体强度。这就像试图修复一件裂纹古董——表面修补无法阻止内部的持续劣化。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室的研究团队提出了一个突破性构想：能否像"冰火淬炼"那样，先用液氮深冷重塑金属基因，再用高速弹丸轰击雕琢表面？他们开创的深冷-高能喷丸序列处理（DH）在L-PBF 316L不锈钢上实现了奇迹般的协同效应。当这种新型不锈钢植入体经过该工艺处理后，其表面光洁度提升至镜面级（S_a=3.94微米），强化层深度达到普通喷丸的3倍以上，更惊人的是拉伸强度飙升至906.9 MPa的同时，延展性仍保持在26.4%的高水平——成功打破了金属材料"强则脆"的魔咒。这项突破性成果为高性能医疗植入体和航天发动机部件的制造开辟了新路径。

研究团队通过多尺度实验揭示了工艺奥秘：

1. 材料制备：采用15-53 μm气雾化316L不锈钢粉末，通过L-PBF技术制备立方体（10×10×10 mm³）和矩形试样（50×7×50 mm³）
2. 复合处理：先进行-196℃/24小时深冷处理（DCT），再采用0.8 mm铸钢丸进行高能喷丸（HESP）
3. 性能表征：白光干涉仪测表面形貌，EBSD分析晶粒取向，TEM观测纳米孪晶，XRD计算位错密度
4. 力学测试：室温拉伸试验评估强度-塑性匹配

关键发现
▍表面形貌与粗糙度
通过三维表面轮廓量化分析，DH处理使表面算术平均粗糙度（S_a）从原始状态的10.85±1.94 μm锐减至3.94±0.25 μm，降幅达63.7%。更重要的是，表面塑性变形层深度从单一HESP处理的28 μm跃升至91 μm，为深层性能提升奠定基础。

▍梯度纳米结构演化
深冷处理在材料内部预先植入的纳米孪晶成为"变形催化剂"。当HESP弹丸以高速撞击时，这些孪晶使金属产生连锁反应般的塑性流动：

• 表层（0-20 μm）：弹丸冲击形成<100 nm超细晶粒和多重孪晶系
• 次表层（20-60 μm）：位错缠结构成蜂窝网络，孪晶厚度增至13.5 nm
• 过渡区（60-91 μm）：高密度位错墙分割原始晶粒
• 芯部：DCT诱导的纳米孪晶（平均厚度18.3 nm）弥散分布

▍微机械性能梯度
纳米压痕测试揭示出从表及里的硬度演变：最表层硬度高达4.86 GPa（约是基体2倍），随着深度增加逐渐递减至91 μm处的2.92 GPa，形成完美的力学性能梯度过渡。

▍拉伸性能突破
拉伸曲线展现惊人数据：屈服强度从原始状态的388.5 MPa飙升至794.3 MPa，增幅405.8 MPa；抗拉强度达到906.9 MPa的同时，断裂延伸率仍保持在26.4%的高位。这种"既强且韧"的特性源于三大强化机制的协同：

1. 晶界强化：Hall-Petch效应主导表层强化
2. 位错-孪晶协同：多重孪晶界阻碍位错运动
3. 梯度协调效应：不同变形区逐级变形避免局部失稳

结论启示
这项研究通过深冷处理与高能喷丸的时空序列设计，在L-PBF 316L不锈钢中构建了跨尺度协同强韧化机制：深冷处理预置的纳米孪晶网络为后续喷丸塑性变形提供"高速公路"，使表面粗糙度改善深度扩大至传统方法的3倍；梯度纳米结构通过层次化变形协调，成功破解了高强材料必然低塑的行业难题。更深远的意义在于，该工艺无需复杂设备改造，可直接集成到现有增材制造生产线，为航天发动机叶片、人工关节等高性能构件的表面/基体一体化强化提供了颠覆性解决方案。未来通过调控DCT温度循环与HESP参数，有望在更多合金体系中实现性能突破，推动增材制造从"成形"到"成性"的技术跨越。