通过粉末混合调控相平衡，实现激光粉末床熔融双相不锈钢的优异强度与延展性协同效应

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving superior strength-ductility synergy in laser powder bed fusion duplex stainless steel via powder-blending-mediated phase balance control

　　摘要：通过激光粉末床熔融技术制备的双相不锈钢通常具有以铁素体为主的微观结构，这使其具备较高的强度，但延展性较差。尽管后续固溶处理可提升延展性，却往往会导致强度显著下降。为解决这一难题，本研究采用了2205与316L不锈钢粉末混合的策略。该方法可通过调控Creq/Nieq比率，促进两种奥氏体形成途径——热循环诱导的δ→γ转变以及非平衡凝固诱导的γ相形成——从而在激光粉末床熔融过程中实现对铁素体与奥氏体相平衡的实时控制。由此无需后续处理即可直接获得兼具优异强度与延展性的双相不锈钢。微观结构分析表明，通过调整粉末混合比例，可大幅调控奥氏体含量。奥氏体形成机制很大程度上取决于Creq/Nieq比率：在高比率下，奥氏体主要通过热诱导的δ→γ固态转变形成；而在中等比率下，非平衡凝固与固态转变则共同促进奥氏体生成。力学测试结果显示，优化后的M6-4和M4-6样品在成型状态下展现出出色的强度与延展性协同效应。其中M6-4样品的屈服强度达872 MPa，抗拉强度达1051 MPa，延伸率则为31%。其卓越的强度源于高位错密度、晶粒细化、固溶强化以及析出强化的共同作用；而良好的延展性则得益于铁素体中由位错滑移与攀移引发的位错胞形成，以及亚稳奥氏体中的孪生诱导塑性与相变诱导塑性机制。这些机制显著提升了材料的加工硬化能力及抗颈缩不稳定性，进而保证了优异的韧性。本研究提出了一种新的粉末混合策略，可实现对成分、微观结构与性能之间关系的协同调控，为直接通过激光粉末床熔融技术制造高性能双相不锈钢部件提供了可行路径。

引言：由于铁素体与奥氏体相的协同作用，双相不锈钢已被广泛应用于石化、核能及海洋工程领域[1,2]。然而，这类材料强烈的加工硬化行为以及传统加工工艺下的较差可加工性，使得复杂结构部件的制造变得困难，从而限制了其在更多工程领域的应用[3,4]。激光粉末床熔融技术凭借其近净成形能力、高尺寸精度以及微观结构可控性，为制造复杂双相不锈钢部件提供了有力途径[5,6]。尽管具有这些优势，但在激光粉末床熔融制备的双相不锈钢中实现高强度与高延展性的良好结合仍是一项重大挑战。这一挑战主要源于激光粉末床熔融过程通常形成的以铁素体为主的微观结构以及较低的奥氏体含量。此外，该工艺特有的快速凝固特性会保持较高的位错密度及亚稳态微观结构，从而导致2205、2507及相关合金在激光粉末床熔融处理后表现出高强度但韧性较低的特性[7,8]。虽然这类微观结构有助于抑制塑性失稳，却不利于冲击韧性与疲劳性能的提升[9]。为改善韧性，人们通常采用固溶处理来增加奥氏体含量并均匀化微观结构。然而，这种处理会降低位错密度并导致晶粒粗化，进而大幅削弱材料强度，使得同时实现高强度与高延展性变得极为困难[10,11]。因此，在保持激光粉末床熔融过程中产生的高位错密度的同时优化铁素体与奥氏体的相平衡，对于提升增材制造双相不锈钢的力学性能至关重要。先前的研究表明，化学成分在决定熔池内的凝固路径方面起着关键作用。尤其是Creq/Nieq比率直接决定了铁素体与奥氏体的竞争性形成，其计算公式如下[12]：Creq=%Cr+%Mo+0.7%Nb，Nieq=%Ni+35%C+20%N+0.25%Cu。一般来说，Creq/Nieq比率不仅影响最终的相平衡，还影响奥氏体的形成机制。根据凝固理论，提高Creq/Nieq比率可通过增强δ-铁素体的稳定性来促进铁素体凝固，而降低该比率则有利于奥氏体形成。在常规冷却条件下，奥氏体可在凝固过程中直接形成，也可通过后续的δ→γ固态转变形成[13,14]。然而，激光粉末床熔融工艺所对应的极高冷却速率会严重抑制元素扩散，使微观结构远离平衡状态。因此，非平衡凝固与热循环诱导的δ→γ转变的相对贡献程度在很大程度上取决于Creq/Nieq比率。所以，通过调控这一比率，可有效控制奥氏体形成路径，并调节激光粉末床熔融制备双相不锈钢中的铁素体与奥氏体相平衡。实现这种调控的一种实用方法是通过引入稳定奥氏体的元素来提高2205双相不锈钢粉末的Nieq值。镍和氮等元素能有效抑制激光粉末床熔融过程中的快速凝固对铁素体形成的促进作用，从而增加奥氏体含量[15,16]。先前的研究显示，在2205原料中添加5%重量的高纯度镍粉，可使激光粉末床熔融制备材料的奥氏体含量提升至约50%，同时还能改善材料的强度与延展性。不过，元素粉末添加的效果存在局限性，且此类添加可能会加剧熔池内的化学不均匀性，进而降低材料的力学性能与耐腐蚀性[17,18]。为克服这些局限，有针对性地混合不同预合金化粉末已成为一种颇具前景的材料设计策略。与元素粉末添加相比，预合金化粉末混合具有两大优势：首先，预合金化粉末的化学成分本身较为均匀，有助于减少加工过程中的成分不均匀性；其次，其成分稳定性使得可通过按比例混合更精确地调控目标Creq/Nieq比率。而元素粉末添加则更容易出现局部偏聚现象，导致实际成分与设计成分之间存在偏差[19,20]。K?hler等人[21]指出，将AISI 316L粉末与30%重量的AISI 318LN粉末混合，可得到具有远超铸造316L材料的力学性能的成型双相微观结构。同样，Cui等人[22]也系统证明了，将AISI 316L粉末与超级双相不锈钢AISI F53粉末混合，并增加316L粉末的比例，可有效提升激光粉末床熔融成型状态下的奥氏体含量，从而实现强度与延展性的定制化匹配。这些研究共同表明，预合金化粉末混合是调控激光粉末床熔融制备双相不锈钢的微观结构与力学性能的有效方法。然而，目前仍缺乏对激光粉末床熔融过程中铁素体与奥氏体竞争性形成行为的深入理解，以及粉末成分、微观结构与力学性能之间定量关系的清晰认知。为应对这些挑战，本研究采用了2205与316L不锈钢粉末混合的策略来调控合金成分，并系统研究了粉末混合比例对微观结构演变及力学性能的影响。研究重点关注了铁素体与奥氏体的竞争性形成行为、这两者之间的变形协调机制，以及同时提升材料强度与延展性的内在机制。这些研究结果为直接通过激光粉末床熔融技术制造高性能双相不锈钢部件提供了新策略，也为开发用于复杂结构应用的先进双相不锈钢奠定了重要基础。

材料制备部分：图1a和图1b分别展示了2205与316L不锈钢粉末的扫描电子显微镜形态。这两种粉末均呈近球形，颗粒尺寸在10至53微米之间，说明其流动性良好。50克粉末的霍尔流动时间分别为19.2秒和22.6秒，表明其在激光粉末床熔融加工过程中的铺展性能良好。为获得不同的Creq/Nieq比率，研究人员将316L不锈钢粉末与2205粉末进行了混合。

工艺参数优化部分：图2a和图2b显示了在不同激光功率与扫描速度下激光粉末床熔融制备的2205与316L试样的相对密度，此时衬线间距固定为55微米。实验结果表明，316L材料的加工窗口明显宽于2205材料。综合考虑两种合金的加工窗口，研究人员选择了250瓦的激光功率以及800毫米/秒的扫描速度，用于后续混合粉末试样的优化加工。图2c展示了相关试样的光学显微镜图像。

铁素体与奥氏体的竞争性形成行为部分：在激光粉末床熔融过程中，极高的冷却速率（105-106开尔文/秒）会从根本上改变材料的凝固与相变路径，这与传统的铸造及焊接工艺有很大差异[12,32]。在如此高度非平衡的条件下，液态与固态中的元素扩散都会受到严重限制，这会极大抑制奥氏体的形成，从而导致双相不锈钢中主要以铁素体微观结构存在[9,14]。因此，要增加奥氏体含量……

结论：(1)通过可控地混合2205与316L不锈钢粉末，可调节激光粉末床熔融制备双相不锈钢中的铁素体与奥氏体相平衡，从而无需后续固溶处理即可获得平衡的双相微观结构。(2)在由混合粉末制备的激光粉末床熔融双相不锈钢中，发现了两种奥氏体形成机制。在高Creq/Nieq比率下，奥氏体主要通过热循环诱导的δ→γ固态转变形成……

作者贡献声明：吕彦金负责概念构思、形式分析、研究实施、方法设计以及论文审阅与编辑工作；冯利负责数据整理、研究实施以及论文初稿撰写；赵伟负责数据整理以及论文审阅与编辑工作；詹显明负责方法设计以及论文审阅与编辑工作；李苏娇负责数据整理与研究实施工作；曾志涛负责数据整理与研究实施工作；邵彦群负责论文审阅与编辑工作。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国福建省自然科学基金（项目编号2026J001244）、国家自然科学基金（项目编号51801198）以及国家大学生创新创业训练计划（项目编号202613470001）的资助。

作者名单：吕彦金|冯利|赵伟|詹显明|李苏娇|曾志涛|邵彦群

单位地址：中国福建省福州市福建师范大学光电子工程学院，教育部医学光电子科学技术重点实验室，邮编350117