通过埋弧增材制造调控本征热处理实现2.5Ni-Cr-Mo钢强度与韧性的协同优化

为解决大尺寸中复杂度(LSMC)镍铬钼钢部件因传统加工导致的晶界偏析、马氏体/奥氏体(M/A)相粗化及韧性不足等问题，研究人员创新性采用埋弧增材制造(SAAM)技术，通过调控"全层穿透"本征热处理(IHT)触发多次再结晶，实现α-Fe基体原位细化、杂质解偏析及M/A相弥散分布，最终获得抗拉强度820MPa、-60℃冲击韧性提升367%(9J→42J)的优异性能，为重型工程钢构件制造提供新范式。

　　

在重型机械和水电设备领域，大尺寸镍铬钼钢部件的制造长期面临"强度-韧性倒置"的困局。传统铸造锻造工艺不仅周期长、成本高，更因不均匀的热应力导致顽固的原始奥氏体晶界(PAGBs)残留，成为磷硫杂质偏析的"温床"，诱发-60℃下仅9J的脆性断裂。而激光增材制造虽能调控微观结构，但其50g/h的沉积速率对于数吨重的转子锻件无异于杯水车薪。

天津大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向沉积速率高达20kg/h的埋弧增材制造(SAAM)。该技术独特的"全层穿透"本征热处理(IHT)特性，使得每层1.34mm厚的沉积金属能经历多达10层的温度循环，引发α?γ相变驱动的多次再结晶。通过精确控制热输入和层间冷却，研究人员在2.5NiCrMo钢中实现了三重突破：首先，反复的奥氏体重结晶使PAGBs彻底消失，将晶界偏析的硫磷杂质"连根拔起"；其次，原位元素分配将块状M/A相破碎为纳米级弥散颗粒；最后长达48小时的去应力退火使残余奥氏体稳定化。这种"边打印边热处理"的策略，使材料在-80℃仍保持韧性断口，冲击功跃升至42J，同时维持820MPa抗拉强度，屈服比0.65-0.72的优异指标。

关键技术包括：1) 自主研发的SAAM系统实现20kg/h高速沉积；2) 红外热像仪实时监测14mm深度的"热渗透区"；3) EBSD和TEM联用解析再结晶动力学；4) 同步辐射X射线追踪元素偏析行为。

研究结果显示：在未受IHT影响的区域，柱状γ晶横跨4个沉积层(图2a)，宽度达150μm，而经IHT处理的均质化区域晶粒尺寸骤降至15μm(图2b)。三维原子探针证实硫含量从晶界的1.2at%降至0.3at%(图3d)。尤为关键的是，M/A相尺寸从3-5μm缩减至300-500nm，且碳化物呈链状分布(图4c)，这种"细晶强化+第二相强化"的协同效应使DBTT(韧脆转变温度)下移20℃。

该研究的意义在于：1) 颠覆了"增材制造必须消除残余热"的传统认知，开创性利用IHT实现微观结构原位调控；2) 提出的"全层穿透"热循环模型为大型构件性能预测建立理论基础；3) 42J的低温韧性指标超越ASTM A508-3锻件标准，有望应用于极地装备。正如《Materials Today》审稿人所言："这项工作将增材制造从'形貌复制'推向'性能定制'的新高度"。