316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性、耐高温性和高韧性,被广泛应用于核电、航空航天、医疗和化工行业[1], [2], [3]。然而,316L不锈钢相对较低的强度使其在高应力服役条件下容易发生失效,限制了其应用范围[4]。随着航空航天、核电和国防相关领域对材料性能与成本平衡要求的不断提高,有必要进一步增强316L不锈钢的性能,以使其适用于更广泛的工程应用。
根据现有文献,将金属间化合物、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物引入316L不锈钢以形成增强复合材料,是提高其强度的有效途径[5], [6], [7], [8]。目前,大多数关于强化316L不锈钢的研究依赖于碳化物陶瓷颗粒的添加。尽管陶瓷增强相可以显著提高316L不锈钢的强度,但其高硬度、与基体之间较大的热膨胀系数失配以及较差的界面相容性使其难以与不锈钢基体形成可靠的冶金结合。因此,塑性变形过程中的位错运动和堆垛层错运动受到严重限制,这可能导致增强复合材料的塑性降低[9], [10]。
高熵合金(HEAs)具有高强度、高温稳定性、耐腐蚀性和耐磨性等优异性能,并且与金属基体具有良好的界面润湿性,热膨胀系数失配相对较小。因此,它们被认为是提高奥氏体不锈钢强度的前景增强相[11], [12], [13]。选择性激光熔化(SLM)是制造复杂金属结构最常用的增材制造技术之一。SLM过程中的冷却速率可达104~105K/s[14],能够形成具有内部亚结构的细晶,从而提高制件的力学性能[15], [16]。由于SLM以粉末作为原料,通过精确混合和选择多种元素粉末,可以实现原位合金化[17]。这使得在单一步骤中合成复杂成分成为可能,无需传统冶金工艺中所需的多步熔炼或后处理,在成分设计方面具有相当大的灵活性[18], [19]。
目前,关于SLM制备的HEA/316L不锈钢复合材料的研究仍然有限。现有研究表明,引入高熵合金作为增强相可以有效提高316L不锈钢的强度。Zhang等人[20]通过SLM制备了5 wt.% FeCoNiCr/316L复合材料,并报道了熔池中高熵合金元素的均匀分布。由于FeCoNiCr和316L具有相同的面心立方(FCC)晶体结构和相似的晶面间距,该复合材料保留了FCC晶格结构。Zhang等人[21]通过激光粉末床熔融制备了2 wt.% FeCoNiAlTi/316L复合材料,并研究了扫描速度对微观组织演变和力学性能的影响。他们发现,高熵合金颗粒的均匀分布促进了异质形核,导致明显的晶粒细化。Yang等人[22]使用增材制造技术制备了由304L不锈钢和CoCrFeMnNi高熵合金组成的层状复合材料,随后进行冷轧和退火处理,实现了优异的综合素质力学性能,且界面未出现脆性相析出。然而,关于SLM高熵合金/316L复合材料的研究仍处于初期阶段。SLM过程中的熔化行为以及元素互扩散、凝固和强化的机制尚未得到明确阐明。此外,高熵合金的多主元特征对316L基体的影响仍有待深入研究,已报道的高熵合金纳米颗粒的形成机制和强化效果仍然不清楚。
以往涉及Al和Ti原位合金化的研究表明,它们对316L不锈钢的力学性能具有有益作用[23], [24], [25], [26]。作为一种Fe基高熵合金,(FeCoNi)86Al7Ti7不仅具有与316L不锈钢相当的密度,还具有相似的晶体结构,能够与不锈钢基体形成良好的冶金结合。考虑到过量的高熵合金添加可能会增加SLM过程中的开裂倾向,本研究选择5 wt.% (FeCoNi)86Al7Ti7作为增强相,以平衡其微观组织调控效应和工艺稳定性。系统研究了高熵合金多主元特征对316L基体的调控效应,重点关注了SLM过程中成分分布、析出行为、微观组织演变和强化机制。由此阐明了高熵合金与316L基体之间的相互作用机制以及相关的微观组织控制机制。