《Materials Science and Engineering: B》：Eucalyptus extract-assisted green synthesis of Mn-Ni-Co nanoferrites: enhanced magnetic and optical properties for advanced applications
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激光粉末床融合（LPBF）制造的Hastelloy X（HX）合金在极低温（-196°C）下的拉伸行为研究，通过对比蛇形扫描与岛屿扫描策略，以及应力释放与双步热处理（900°C和1175°C）对微观结构的影响，发现岛屿扫描结合双步热处理可形成更粗的胞状和晶粒结构，促进孪生变形和加工硬化，显著提升低温韧性和强度-塑性平衡。
Jalal Kangazian|Soung Yeoul Ahn|Shiwoo Lee|Hyeonseok Kwon|Rae Eon Kim|Jaehun Kim|Ahmad Kermanpur|Morteza Shamanian|Hyoung Seop Kim
韩国浦项科技大学（POSTECH）铁基与生态材料技术研究生院（GIFT），浦项，37673
摘要
本研究首次系统地研究了通过激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的Hastelloy X（HX）镍基合金的低温拉伸行为，揭示了如何通过策略性地控制扫描模式和热处理工艺来优化微观结构，从而在-196°C温度下提升其机械性能。具体而言，采用了两种扫描策略（蜿蜒型和岛屿型）以及两种热处理方式：(i) 应力释放（900°C，2小时）和 (ii) 应力释放后进行固溶退火（1175°C，2小时）。尽管以往的研究主要集中在LPBF HX合金的高温应用上，但本研究特别关注极端低温环境，揭示了影响其延展性和加工硬化行为的微观机制。研究结果表明，岛屿型扫描方式形成的晶粒和胞状结构更粗大，这有助于变形孪晶的形成，从而提高了低温下的延展性。此外，双步热处理能够诱导再结晶和孪晶形成，同时溶解富钼相和位错亚结构。值得注意的是，岛屿型扫描与双步热处理的结合产生了显著的协同效应，实现了优异的强度-延展性平衡，并增强了由孪晶诱导的塑性效应，这一现象在低温下的增材制造HX合金中尚未被报道。这些结果为基于微观结构的镍基合金优化提供了新的途径，以适应极端使用环境。
引言
固溶强化的镍基合金因其优异的机械强度和耐腐蚀性而在从低温到高温的各种环境中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。其中，Hastelloy X（HX）是一种镍-铬-铁-钼基合金，广泛应用于能源、燃气轮机、航空航天和化工行业的复杂几何形状部件制造[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。特别是，多项研究证明了HX合金在低温环境中的适用性，尤其是在航空航天领域[11]、[12]。
激光粉末床熔融（LPBF）作为一种先进的增材制造技术，能够制造出接近净形的复杂部件，同时具备出色的尺寸控制和材料利用率[13]、[14]、[15]。因此，LPBF为制造像HX这样的镍基超级合金提供了巨大潜力，尤其是在要求苛刻的航空航天应用中[16]、[17]、[18]、[19]。
迄今为止，已有大量研究致力于探讨LPBF处理后的HX合金的微观结构演变和机械性能，主要集中在室温和高温条件下。这些研究涵盖了多种工艺参数，包括扫描策略[20]、[21]、[22]、热处理（HT）周期[23]、[24]、[25]、扫描速度[26]、热等静压（HIP）[27]、[28]、[29]、构建方向[30]、[31]、[32]、化学成分[33]、[34]、[35]、[36]、生产效率[37]、晶体结构[38]以及应变率[30]、[39]、[40]。此外，还有研究考察了LPBF HX合金在室温至高温范围内的变形机制[41]、[42]、[43]。例如，Agrawal等人[24]研究了1050°C、1175°C和1200°C热处理对室温拉伸性能的影响，发现1175°C和1200°C的热处理导致了部分或完全再结晶（RX），从而通过孪晶诱导塑性（TWIP）提高了延展性。Wang等人[42]分析了经过HIP处理（1180°C）和HT处理的HX样品的温度依赖性变形行为，发现随着测试温度的升高，主导变形机制从孪晶转变为滑移带，再进一步转变为动态再结晶。
我们之前的工作系统地调整了LPBF制造的HX合金的微观结构，并在室温和高温（560°C、760°C和860°C）条件下改善了其拉伸性能[44]、[45]、[46]。尽管取得了这些进展，但针对LPBF处理镍基超级合金在低温下的机械性能的研究仍然有限[47]、[48]。虽然有一些研究探讨了传统制造方法下HX合金的低温行为[11]、[12]、[49]，但扫描策略和热处理对LPBF HX合金低温性能的影响尚未得到充分研究。此外，在低温下通过工艺-结构设计来调控微观结构驱动的变形机制（如孪晶形成）的潜力也尚未得到充分利用。
本研究旨在通过系统地研究扫描策略（蜿蜒型与岛屿型）和热处理对LPBF制造HX合金低温拉伸行为的影响，填补这一知识空白。特别关注晶粒形态、位错密度和相分布如何影响低温下的强度和延展性，以期利用孪晶诱导塑性来提升性能。
样本制备与热处理
本研究中使用的预合金化HX粉末的化学成分见表1。该粉末呈球形，粒径范围为10–45 μm，平均粒径为26 μm。关于粉末的更多细节，请参阅我们之前的研究[50]。
使用NOURA M100 LPBF设备制备了尺寸为7 × 40 × 7 mm3的矩形样品。样品的构建方向（BD）高度为7 mm。工艺参数包括...
拉伸测试前的微观结构
图1展示了未经处理（AB）和经过热处理（HT）的样品的微观结构。在AB条件下，晶粒内部观察到了明显的胞状亚结构。蜿蜒型样品的胞平均尺寸约为470 ± 70 nm，而岛屿型样品的胞平均尺寸约为620 ± 10 nm。透射电子显微镜（TEM）分析显示，胞壁处密布着位错。相比之下，经过900°C热处理的样品中这些胞状特征不那么明显，尽管胞的尺寸与AB条件下的相当。
微观结构的演变
扫描策略对微观结构的影响表明，岛屿型扫描方式形成的样品具有更粗大的胞状和晶粒结构。这归因于岛屿型扫描中使用的较短扫描路径，减少了凝固与再加热之间的时间间隔，从而降低了冷却速率[21]、[55]。较低的冷却速率通常会导致更大的晶粒和胞尺寸[56]、[57]。
在LPBF处理的合金中...
结论
本研究提出了一种通过策略性结合扫描模式选择和热处理来优化增材制造HX合金低温机械性能的新方法。与以往主要关注高温或室温性能的研究不同，本研究首次展示了如何利用微观结构工程来改善LPBF处理HX合金的低温变形行为。
作者贡献声明
Morteza Shamanian：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、概念构思。Jaehun Kim：验证、方法论、实验研究。Ahmad Kermanpur：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、概念构思。Hyeonseok Kwon：验证、方法论、实验研究。Rae Eon Kim：验证、方法论、实验研究。Soung Yeoul Ahn：验证、方法论、实验研究。Shiwoo Lee：验证、方法论、实验研究。Jalal Kangazian：撰写 –
数据可用性
目前无法共享用于重现上述研究结果的原始/处理数据，因为这些数据仍属于正在进行的研究的一部分。
资助
第一作者Jalal Kangazian获得了韩国国家研究基金会（NRF）通过韩国科学技术信息通信部（Ministry of Science and ICT）提供的韩国研究奖学金计划（资助编号：RS-2024-00443687）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
