相互渗透的铁素体-马氏体架构赋予激光粉末床熔融铁素体-马氏体钢卓越的强塑协同性能

《Materials Science and Engineering: A》：Interpenetrating ferrite-martensite architecture enabling exceptional strength-ductility synergy in laser powder bed fused ferritic-martensitic steel

　　

**摘要**

实现高强度与变形稳定性的同时兼顾，仍然是作为先进核能系统关键结构材料的铁素体—马氏体钢面临的核心挑战。本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了一种含12 wt.% Cr的活化减缓铁素体—马氏体（RAFM）钢。在非平衡快速凝固和固有的循环热历史的联合作用下，材料经历了一个可控的相变路径：液态 → δ → γ → α′，从而形成了由柱状δ铁素体和超细板条马氏体构成的相互穿插的铁素体—马氏体架构。同时，形成了具有核—层—壳结构的弥散复合纳米析出相。所得双相架构在室温下实现了超过1.2 GPa的抗拉强度与高于12%的延伸率，在550 °C下仍保持超过1.0 GPa的抗拉强度和高于28%的延伸率，展现出在宽温度范围内优异强塑性协同性能。本征强化机制——包括晶粒细化强化、固溶强化、位错强化和析出强化——共同决定了屈服强度。然而，在后续塑性变形过程中，由相互穿插架构引起的异变形诱导（HDI）强化成为主导机制。加载—卸载—再加载测试表明，HDI应力对流变应力的贡献超过50%。基于EBSD的几何必需位错密度分析进一步证实了铁素体—马氏体界面处存在显著的位错堆积，表明相互穿插架构加剧了界面变形不协调性并增强了加工硬化能力，从而有效延缓了颈缩的发生，促进了强度与塑性的协同组合。本研究证明，通过调控相变路径来构建这种相互穿插架构，是实现铁素体—马氏体钢在室温和高温条件下强塑性协同的有效策略。

**引言**

铁素体—马氏体（FM）钢具有优异的抗中子辐照肿胀能力、良好的蠕变抗力、适当的抗拉强度、相对较高的热导率以及与液态钠/铅冷却剂的优良兼容性[1]、[2]、[3]。凭借这些优势，它们已被广泛认为是快堆堆芯[4]、[5]、第四代核系统压力容器[6]以及聚变反应堆第一壁/包层部件[7]的有前景的结构材料。在美国快堆计划中，作为典型FM钢的HT9钢被用作燃料包壳管和导管材料，即使在接近208 dpa的中子辐照剂量下仍表现出优异的抗辐照肿胀性能[8]。这些结果表明FM钢在先进核能系统中具有相当大的应用潜力。随着下一代核系统不断向更恶劣的工作条件发展——包括更高温度、更大辐照剂量和越来越复杂的环境——对FM钢的微观组织稳定性、力学性能和可加工性提出了更为严苛的要求[2]、[7]。在此背景下，通过成分设计和工艺路径调控实现微观组织与力学性能的协同优化，已成为FM钢进一步发展的关键研究方向。

在传统FM钢的基础上，研究人员通过将Mo、Nb、Ni等元素替换为具有更短放射性半衰期的W、Ta、V，开发了活化减缓铁素体—马氏体（RAFM）钢[9]、[10]、[11]。此后确立了一系列代表性RAFM钢，包括9Cr-2WVTa[12]、[13]、EUROFER97[14]、[15]、FH82[16]、[17]、CLAM[18]、[19]以及CLF-1[20]、[21]。尽管这些钢可以通过传统热机械加工和热处理获得稳定的回火马氏体组织，但强度与塑性之间固有的权衡关系仍然存在。因此，在保持高强度的同时提高变形稳定性，长期以来一直是FM/RAFM钢面临的中心科学挑战。

FM钢的传统制备工艺主要包括铸造、锻造和热机械加工[7]、[9]。然而，这些方法通常存在加工周期长、微观组织可调控性有限以及对几何复杂部件一体化制造的适应性差等不足。近年来，金属增材制造的快速发展为核结构材料的制备和微观组织调控提供了新的机遇。在这些技术中，激光粉末床熔融（LPBF，亦称选择性激光熔化（SLM））因其高能量密度、快速凝固特征以及固有的逐层循环热处理行为而备受关注[22]。先前的研究表明，LPBF能够成功制备CLAM钢等RAFM钢部件。然而，近净成形材料通常表现为高强度但塑性有限[23]，或存在显著的各向异性[24]。这些发现表明，尽管LPBF能够制造大块RAFM部件，但仍需进一步探索如何利用其固有的非平衡凝固和循环热历史特征来构建有利于强塑性协同的微观组织。

近年来，异质结构材料（HSMs）因其独特的能力突破传统的强度—塑性权衡而受到广泛关注[25]、[26]。典型异质结构包括双峰结构（BMS）[27]、[28]、[29]、梯度结构（GS）[30]、异质层状结构（HLS）[31]以及双相结构[32]、[33]。其强化机制通常归因于具有不同力学响应的区域之间的变形不协调性，这种不协调性会在界面附近引起几何必需位错（GNDs）的积累，从而产生异变形诱导（HDI）强化[34]。对于RAFM钢，Liu等人[35]通过优化LPBF扫描策略获得了包含细晶和粗晶的非均匀晶粒组织，从而改善了强塑性平衡。Jiang等人[36]通过工艺参数调控有意引入微观组织异质性，使LPBF制备的CLF-1钢在保持高强度的同时展现出良好的塑性。Chen等人[26]通过交替设置层间工艺参数构建层状异质结构，进一步增强了强塑性协同效应。这些研究表明，调控微观组织尺度和相分布可以在一定程度上改善LPBF制备的RAFM钢的力学性能。然而，所报道的架构主要是岛状或层状结构，而关于构建具有更高空间连通性的铁素体—马氏体架构以增强HDI强化及相关强塑性协同的系统性研究仍然有限。

在先前报道的RAFM钢中，Cr含量通常在8–9 wt.%范围内。作为一种典型的铁素体稳定化和奥氏体关闭元素，Cr可以随着浓度增加而缩窄奥氏体稳定区域，从而显著影响δ → γ相变行为[37]。在快速冷却条件下，相对较高的Cr含量可能导致部分高温δ铁素体被保留至室温而未完全转变为奥氏体。因此，在增材制造伴随的极高冷却速率和固有循环热历史条件下，通过成分与工艺的耦合效应调控液态 → δ → γ → α′相变路径，可能为构建具有特定空间架构的双相组织提供一条有效途径。

鉴于Cr对相稳定性和相变路径的显著影响，特别是其在相对高Cr含量（约12 wt.%）下可能改变δ → γ转变行为的潜力，本研究选取了一种新型高Cr RAFM钢（由中国核动力研究设计院基于核结构材料的综合性能要求进行设计），并通过LPBF进行制备。LPBF固有的超高冷却速率和层间循环热历史提供了远离热力学平衡的相变条件，从而有可能调控液态 → δ → γ → α′转变路径，使部分δ铁素体得以保留并同时细化马氏体微观组织。基于这一理念，构建了一种相互穿插的铁素体—马氏体架构，并对其微观组织特征和变形行为进行了系统研究，特别关注了HDI强化在实现强塑性协同中的作用。本工作证明，通过调控相变路径来构建相互穿插的双相架构，是克服铁素体—马氏体钢强度—塑性权衡的有效策略。

**材料与方法**

**粉末制备**

本研究所使用的球形粉末通过真空感应气体雾化（VIGA）制备，以Ar为雾化气体，压力约为5.2 MPa，熔体温度约为1720 °C。如图1a和b所示，所获得的粉末呈近球形形貌，粒径分布相对窄且对称。中位粒径（D50）测量值为20.36 μm。

**LPBF加工**

LPBF加工采用Farsoon FS271系统完成。

**相分析**

**图2a展示了粉末和LPBF制备试样的XRD图谱。主要衍射峰可以利用BCC α-Fe结构进行标定。需要注意的是，马氏体的四方性随碳含量连续变化。在碳含量较低时，四方畸变较小，马氏体的主要反射峰与BCC铁素体大幅重叠，使得两种相难以通过常规XRD进行区分。因此，**

**LPBF诱导的相互穿插铁素体—马氏体架构的来源**

**如图2、图3、图4、图5所示，近净成形试样主要由柱状δ铁素体晶粒和高密度位错的板条马氏体组成，同时伴有随机分布的具有独特核—层—壳结构的复合纳米析出相。与通常在传统锻造或热处理FM钢中观察到的以单相回火马氏体为主不同，本研究中两相呈现出空间交错的分布特征，并且**

**结论**

本研究证明，LPBF工艺与高Cr成分设计的协同效应能够调控12Cr铁素体—马氏体钢的相变路径，从而形成相互穿插的铁素体—马氏体架构。该架构使材料在室温和高温下均实现了优异的强塑性组合。主要结论总结如下：

1. 高Cr含量作为……

**CRediT作者贡献声明**

Song Miao：撰写—审阅与编辑，调查研究。Yu Wu：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取。Pan Hucheng：撰写—审阅与编辑，调查研究。Tang Yi：调查研究。Wang Zhichen：调查研究。Li Jincheng：撰写—初稿，调查研究。Chai Linjiang：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Murty Korukonda L.：撰写—审阅与编辑，调查研究。

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢重庆市教育委员会科技研究项目（KJQN202401134）和重庆理工大学研究生创新项目（gzlcx20253096）的资助。作者同时衷心感谢杨涛、赵晓彤、董海宇、刘洪良和牛英在稿件准备过程中对格式和语言方面的有益建议。

Li Jincheng | Chai Linjiang | Tang Yi | Wang Zhichen | Wu Yu | Pan Hucheng | Song Miao | Murty Korukonda L.

重庆理工大学材料科学与工程学院，中国重庆 400054