高氮钢的激光粉末床熔融技术：氮元素引发的多尺度协同效应对微观结构与性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Laser Powder Bed Fusion of High-Nitrogen Steel: Nitrogen-Induced Multiscale Synergistic Effects Governing Microstructure and Performance

　　

梁彦文|刘杰|范林海|王辉|杨东青|李晓鹏|王克宏

南京工业大学材料科学与工程学院，南京，210094，中国

摘要

本研究阐明了氮含量在控制激光粉末床熔融（LPBF）制备的高氮钢的凝固行为、微观结构和性能中的作用。LPBF的快速凝固促进了溶质的捕获，使得氮含量达到了0.65 wt.%，超出了热力学平衡的预测。所有试样均通过铁素体-奥氏体（FA）模式凝固，δ-铁素体为主要相，随后发生δ→γ的固态转变。较高的氮含量（0.65 wt.%）稳定了奥氏体，通过连续的晶界网络和晶内纳米级γ颗粒（<1 μm）实现了高比例的γ相。氮含量从0.41 wt.%增加到0.65 wt.%时，抗拉强度提高了30.5%（1,239 MPa → 1,617 MPa），伸长率提高了42.1%，这主要是由于显著的晶粒细化和氮的固溶强化共同作用，从而促进了良好的强度-延展性协同效应。硬度从422.3 HV增加到467.7 HV，但在较高氮含量下趋于饱和。断裂模式从脆性-延展性（低氮）转变为以延展性为主（高氮），超细晶粒和高γ含量抑制了裂纹扩展。耐腐蚀性显著提高，P2000-3（0.65% N）的腐蚀电流密度比P2000-1降低了69.4%。氮梯度设计实现了强度、延展性和耐腐蚀性的协同优化。这项工作为高性能钢在极端环境中的应用奠定了基础。

引言

在航空航天和生物医学应用中，结构材料需要强度-延展性协同性和耐腐蚀性之间的最佳平衡。图1展示了金属材料在强度-延展性-耐腐蚀性特性方面的比较[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。研究表明，传统不锈钢和高强度钢在这些性能之间存在固有的权衡：316L不锈钢具有优异的耐腐蚀性和延展性，但其抗拉强度无法满足高载荷组件的要求；高强度钢虽然可以达到超高强度，但由于合金元素偏析和钝化能力不足，耐腐蚀性显著降低。高氮钢（HNS）通过利用氮的固溶强化和增强的钝化机制，为这一长期存在的问题提供了有希望的解决方案。氮在高氮钢的LPBF过程中起着双重作用：一方面，它作为奥氏体稳定剂，通过FA凝固模式驱动δ→γ的固态相变；另一方面，它通过晶界钉扎和固溶强化细化晶粒。这种氮诱导的微观结构演变为开发高强度、高耐腐蚀性的增材制造高氮钢提供了理论基础。具体而言，HNS在航空航天、海洋工程和生物医学领域显示出巨大潜力，因为它们结合了优异的机械性能、出色的耐腐蚀性和良好的生物相容性[11]，[12]，[13]，[14]。然而，HNS的工业应用受到氮的热力学溶解度限制（常压下为0.045 wt.% [15]）以及传统高压熔炼技术无法生产具有可控氮梯度的复杂组件的限制[13]，[16]，[17]。

增材制造（AM），特别是激光粉末床熔融，已成为制备HNS的创新方法[18]，[19]，[20]，利用其逐层沉积机制。LPBF固有的快速凝固动力学使得通过非平衡冶金状态形成过饱和氮固溶体成为可能，有效突破了氮溶解度的传统热力学平衡限制。这一范式转变提供了一种通过可控溶质捕获和晶格畸变效应实现性能协同提升的新途径。Jiang等人[21]通过氮掺杂抑制了CoCrMoW合金中的γ→ε马氏体转变，促进了元素偏析和沉淀物的形成，这突显了氮对不同材料相稳定性的不同影响。Cheng等人[22]报告称，使用激光粉末床熔融制备的高氮钢硬度比316L不锈钢高出70%。Radtke等人[23]通过在LPBF过程中原位添加粉末混合物改善了高氮钢的加工性能。然而，目前关于LPBF制备的高氮钢的研究仍面临几个挑战：首先，氮含量在快速凝固过程中影响微观结构演变（例如相变和沉淀行为）的机制尚不清楚。其次，快速凝固条件下氮的溶解度限制及其在调节机械和耐腐蚀性能中的作用需要进一步澄清。此外，通过工艺参数设计实现密度、强度和氮含量的协同改进仍然是该领域的技术挑战。

本研究旨在阐明氮过饱和对LPBF技术中HNS多尺度性能的调控机制。准备了三种不同氮含量的HNS粉末，并使用LPBF进行了加工。系统研究了氮含量对微观结构（包括铁素体-奥氏体凝固行为、Cr₂N沉淀行为和晶格畸变）、机械性能（强度、延展性和断裂机制）以及耐腐蚀性的影响。结果表明，在常压下，LPBF可以实现氮含量高达0.65%的过饱和固溶体。研究揭示了氮在晶粒细化、抗拉强度提升（达到1616.7 MPa）和耐腐蚀性改善中的关键作用。如图1所示，我们使用LPBF制备的HNS在强度和耐腐蚀性的协同性以及设计灵活性方面超过了传统材料，为下一代高性能合金提供了发展路线图。这项工作为优化增材制造工艺和高氮钢的性能调整提供了理论见解，促进了其在极端环境中的工程应用。

章节摘录

实验材料和参数设置

本研究研究了氮含量对P2000级高氮钢性能的影响。采用了混合元素粉末的方法（而非预合金化粉末）。通过混合市售的气雾化球形Fe、Cr、Mn和Mo粉末以及Cr_xN（1 < x < 2）粉末作为氮源，制备了三种具有相同Fe–Cr–Mn–Mo基组合物但氮含量不同的粉末批次（0.7、1.0和1.3 wt.%）。

氮过饱和固溶体和相变动力学

激光粉末床熔融制备的高氮钢试样中观察到的氮含量显著变化揭示了非平衡凝固条件下独特的氮固溶行为和相变动力学的耦合效应。氧-氮-氢分析仪测量（表2）表明，LPBF后的氮含量（0.41-0.65 wt.%）远低于原始粉末原料的氮含量（0.7-1.3 wt.%），氮得到了保留

结论

本研究系统揭示了氮含量对激光粉末床熔融制备的高氮钢的凝固路径、微观结构演变、机械性能和耐腐蚀性的多尺度调控机制，阐明了非平衡凝固和固态相变的协同效应。主要结论如下：

• (1)
  在高氮钢（0.65 wt.% N）中，LPBF快速凝固过程中的溶质捕获效应

CRediT作者贡献声明

李晓鹏：监督，正式分析。王克宏：资源，项目管理。梁彦文：撰写——初稿，验证，数据管理。王辉：撰写——初稿，研究。杨东青：验证，研究。刘杰：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理。范林海：研究

利益冲突声明

作者声明他们与本研究没有利益冲突。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们与本研究没有利益冲突。

致谢

本研究由内蒙古自治区自然科学基金（资助编号2024QN05048）资助。