后处理依赖的Ni改性LPBF 2507型超级双相不锈钢的相平衡与力学响应

《Materials Science and Engineering: A》：Post-processing-dependent phase balance and mechanical response of Ni-modified LPBF 2507-type SDSS

　　

本研究探讨了应力消除和固溶退火处理对激光粉末床熔融（LPBF）制备的添加3 wt%元素Ni改性的2507型超级双相不锈钢的相再分布和力学响应的影响。本研究扩展了研究人员先前对同种合金的研究，该先前研究聚焦于沉积态条件下的相平衡和晶界特征分布。共混原料含有9.11 wt% Ni，分别对沉积态、400–550 °C保温1 h应力消除态以及1100 °C保温15 min水淬固溶退火态进行了评价。采用X射线衍射（XRD）结合修正Williamson–Hall分析、扫描电子显微镜和电子背散射衍射（EBSD）表征了相组成和微观结构；硬度、拉伸和无缺口摆锤冲击试验量化了力学性能。沉积态和应力消除态保持富铁素体状态，在所分析的EBSD视场内含有94%–95%铁素体，表观铁素体微晶尺寸估计为33–55 nm，表观XRD估计位错密度值为4–7×10¹⁴ m^?2。这些状态表现出R_p0.2=1090–1210 MPa，R_m=1258–1414 MPa，断裂总伸长率A_t为6.55%–8.53%。SR400和SR450提供了最高的实测拉伸强度，而SR500和SR550在富铁素体条件中提供了最优的强度–吸收能量综合性能。固溶退火产生了富奥氏体双相状态，XRD测得约60%奥氏体，所分析的EBSD视场内约69%奥氏体，R_p0.2≈560 MPa，R_m≈890 MPa，A_t=29.6%，无缺口吸收能量报告为>450 J。研究人员建立了一个定量的后处理–相平衡–力学响应框架，将富铁素体高强度状态与固溶退火的富奥氏体延展性主导区域区分开来。

论文解读：后处理对Ni改性LPBF 2507型超级双相不锈钢相平衡与力学响应的影响

一、研究背景与目的

超级双相不锈钢（SDSS）2507（UNS S32750）凭借铁素体–奥氏体双相组织实现了高强度、变形能力与局部腐蚀抗性的优异组合。铁素体提供主要承载贡献，奥氏体则促进塑性应变协调和韧性相关响应。激光粉末床熔融（LPBF）技术为这类合金提供了复杂几何形状和材料高效制造的途径，然而快速凝固、陡峭热梯度、熔池尺度溶质输运以及反复热循环导致了强烈的非平衡凝固路径。LPBF制备的2507及相关双相不锈钢通常形成铁素体主导的沉积态微观组织，奥氏体含量有限且不连续，并伴有明显的凝固织构和空间异质性缺陷分布。尽管这类组织能够维持吉帕级强度，但受限的奥氏体比例限制了应变协调与吸收能量能力。已有研究主要聚焦于工艺参数对相选择的影响，未系统解决固定合金成分在系统化后处理序列中的响应问题。原料改性通过添加奥氏体稳定化元素提供了补充性冶金策略。研究人员的先前研究已考察了在2507型SDSS粉末中添加3 wt%元素Ni后的沉积态相平衡和晶界特征分布，但未涉及后处理相关的力学响应。低温应力消除和固溶退火代表了两种不同的微观组织调控路径，然而对于这一特定成分，后处理路线、相再分布、晶体学描述符与力学性能之间的系统关联仍缺乏充分解析。本研究旨在通过固定合金化学条件下逐条件对比评估，建立完整的后处理–相平衡–力学响应框架。

二、研究内容与方法概述

研究人员采用含9.11 wt% Ni的Ni改性2507型SDSS共混粉末为原料，通过LPBF系统制备样品，激光功率180 W，扫描速度300 mm s^?1，道间距120 μm，层厚30 μm，体积能量密度166.7 J mm^?3，采用67°层间旋转的蛇形扫描策略。后处理条件包括沉积态（AS）、400、450、500、550 °C保温1 h炉冷的应力消除态（SR400、SR450、SR500、SR550），以及1100 °C保温15 min水淬的固溶退火态（SA1100）。表征方法涵盖X射线衍射（XRD）结合修正Williamson–Hall分析，用于获取相组成和铁素体线宽化描述符；电子背散射衍射（EBSD）用于解析相分数、相形态、晶界网络、铁素体–奥氏体位向关系和晶内取向分布；扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）用于微观组织形貌观察和元素分配表征；力学测试包括硬度（Rockwell A和Vickers微硬度）、室温拉伸和无缺口摆锤冲击试验。

三、主要研究结果

3.1 相组成与取向域形态

沉积态呈现铁素体主导的相组成，EBSD测得约95%铁素体和5%奥氏体，奥氏体以不连续晶间薄膜和孤立区域分布于柱状铁素体基体中。400–550 °C应力消除后在SEM可观察尺度上仅产生有限变化，相平衡仍保持铁素体主导。固溶退火后组织变为富奥氏体状态，EBSD测得约31%铁素体和69%奥氏体，奥氏体在空间上广泛分布而铁素体形成较不连续的网络。XRD测得SA1100奥氏体分数约60%，与EBSD结果的差异反映了两种技术取样体积和量化程序的不同。XRD线宽化分析显示，AS和SR400–SR550的表观铁素体微晶尺寸为33–55 nm，表观位错密度为4.2–6.8×10¹⁴ m^?2；SA1100后这些值分别变为141.64 nm和1.20×10¹⁴ m^?2。

3.2 边界网络、近重合位置点阵与相间位向关系描述符

所有条件均以高角度晶界（HAGBs）为主导。AS含78.8% HAGBs，SR400–SR550的HAGBs分数介于76.0%–82.0%之间，SA1100达到最高84.3%。近重合位置点阵（near-CSL）边界在AS和SR400–SR550中稀疏，而SA1100中Σ3边界分数由AS的2.59%显著增至11.68%。SA1100展现出最广泛的空间连续的Kurdjumov–Sachs（K–S）/Nishiyama–Wassermann（N–W）兼容相间边界网络，其最小角偏差分布主峰位于1–3°附近，表明与理想晶体学位向关系的高度吻合。

3.3 EBSD取向扩展描述符

所有条件的核平均取向差（KAM）分布高度集中于1°以下，超过98%的像素KAM值低于0.5°，各条件间均值差异极小。晶粒参考取向偏差（GROD）和晶粒取向扩展（GOS）显示非单调的温度依赖性：SR400和SR450呈现更宽的低至中等GOS分布，SR500和SR550分布更窄，SA1100分布最窄且大多数GOS值低于约1°。这些描述符反映不同空间尺度的取向异质性，提供互补而非直接互换的晶内取向信息。

3.4 织构演变

铁素体取向分布函数（ODF）最大强度从AS的4.5 MRD增至SR450的8 MRD，随后在SR500降至5 MRD，SR550升至6 MRD，SA1100回到4.5 MRD。奥氏体ODF最大强度从AS的5.5 MRD经SR400降至3.5 MRD，SR500升至6 MRD，SA1100降至最低的2.4 MRD。结果表明后处理以非单调且相依赖的方式重新分配LPBF衍生的晶体学织构，而非产生渐进式织构强化或弱化。

3.5 力学性能与强化机制分析

AS硬度最高（约500 HV0.1），SR400后降至约473 HV0.1，SR450和SR500进一步降至约442和437 HV0.1，SR550降至约360 HV0.1，SA1100最低（约310 HV0.1）。拉伸性能呈现明显的后处理依赖性强度–延性转变：AS的R_p0.2≈1095 MPa，R_m≈1324 MPa，总伸长率约6.78%；SR400和SR450提供最高拉伸强度（R_p0.2≈1210和1204 MPa，R_m≈1414 MPa）；SR500和SR550保持高屈服强度（约1119和1090 MPa），同时无缺口吸收能量增至约178和203 J；SA1100实现最大延性提升（R_p0.2≈560 MPa，R_m≈890 MPa，A_t≈29.6%），所有试样均达到450 J仪器容量上限。强化机制计算表明，AS–SR550间铁素体晶粒尺寸强化贡献仅92–96 MPa的窄幅波动，而位错强化贡献在590–750 MPa范围内变化并在SR450达到峰值；固溶退火后晶粒尺寸强化增至144 MPa，但位错强化降至316 MPa，铁素体分数加权综合贡献从AS的754 MPa降至SA1100的141 MPa，与R_p0.2的降低相符。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，AS的熔池结构和拉长铁素体特征与LPBF双相不锈钢的定向凝固形貌一致。SR400–SR550期间SEM尺度的有限变化和相似的衍射图谱表明应力消除过程中微观组织重构有限。SA1100中更均匀的双相形貌和更高奥氏体分数与固溶退火过程中铁素体向奥氏体转变一致。SEM–EDS证实了Ni优先分配至奥氏体而Cr和Mo优先分配至铁素体的元素分配行为。XRD与EBSD之间奥氏体分数的差异反映了两者不同的取样基础。SA1100中更高的近CSL分数和更紧密的K–S/N–W兼容相间边界聚类表明晶界网络发生了明显重组。SR450铁素体织构的最大强度表示特定铁素体取向组分的锐化。强度–延性权衡与双相不锈钢的物理冶金学一致：富铁素体状态通常有利于高强度，而增加的奥氏体分数促进塑性协调和吸收能量能力。SR400和SR450后较低的吸收能量也与铁素体在中温区间的脆化敏感性相符。

研究结论可归纳为：（1）AS和SR400–SR550保持铁素体主导的LPBF微观组织，EBSD视场内约94%–95%铁素体，表观铁素体XRD微晶尺寸和位错密度估计分别约为33–55 nm和4–7×10¹⁴ m^?2，应力消除未产生XRD或EBSD可检测的显著相再分布，但缺陷敏感的晶体学描述符发生了变化。（2）富铁素体的AS和SR状态表现出高强度、有限延性的响应，条件均值为R_p0.2=1.09–1.21 GPa，R_m=1.26–1.41 GPa，A_t=6.55–8.53%，其中SR400和SR450提供最高的屈服强度和抗拉强度。（3）SR500和SR550在实测试样集中提供了最优的富铁素体强度–无缺口吸收能量综合性能，屈服强度分别约为1119和1090 MPa，无缺口吸收能量增至约178和203 J。（4）SA1100产生了富奥氏体双相状态，XRD测得约60%奥氏体，EBSD视场内约69%奥氏体，R_p0.2降至约0.56 GPa，R_m降至约0.89 GPa，A_t增至29.6%，所有试样均达到450 J摆锤容量，无缺口吸收能量报告为>450 J。（5）本研究确定的后处理路线提供了三个实用的力学性能选择窗口：优先考虑最大拉伸强度时选择SR400和SR450；需要富铁素体强度–无缺口吸收能量综合性能时选择SR500和SR550；以拉伸延性和无缺口吸收能量能力为主要要求时选择SA1100。该研究发表在《Materials Science and Engineering: A》期刊，为Ni改性LPBF 2507型超级双相不锈钢的后处理工艺选择提供了系统的实验依据和定量框架。