通过增材制造技术制备的梯度不锈钢表现出卓越的强度与延展性协同效应

《ACTA MATERIALIA》：Outstanding strength–ductility synergy in a gradient stainless steel produced by additive manufacturing

通过多材料增材制造在316L不锈钢中构建晶粒尺寸、晶界特征、析出物分布及化学成分四重梯度结构，显著提升材料强度与延展性协同性能，并建立定量强度预测模型。

　　

严少华|萨比罗夫伊尔查特|秦庆华|廖小洲

深圳北理莫斯科大学先进跨学科技术研究所，中国深圳518172

摘要

增材制造的316L不锈钢在室温下的强度仅处于中等水平，这限制了其在高要求应用中的使用。陶瓷增强可以提高强度，但通常会降低延展性。在此，我们采用多材料增材制造技术制备了包含316L和316L/TiC的梯度结构。所制备的合金具有四种耦合梯度，包括晶粒尺寸、晶界特性、沉淀物分布和化学成分，这种复杂性是传统合成方法无法实现的。这些梯度结构在几乎不损失延展性的情况下，同时提高了屈服强度和极限抗拉强度；其强度-延展性组合优于通过增材制造或传统合成方法制备的均匀316L合金及常规梯度316L合金。从机制上讲，优异的性能源于精细的晶粒结构、高密度的纳米级沉淀物和孪晶界，以及由此带来的增强的应变硬化能力，这些因素稳定了均匀的塑性流动。我们进一步开发了一个定量强度模型，该模型综合考虑了晶粒细化、沉淀物形成、孪晶作用和成分梯度的贡献，准确预测了实测的屈服强度。这些发现为通过多材料增材制造技术设计具有优异机械性能的梯度金属合金提供了途径。

引言

316L不锈钢因其优异的焊接性和加工性而被广泛应用于航空航天部件和厨房用具等领域[1,2]。然而，其相对较低的机械强度限制了其在恶劣环境中的使用。尽管对316L进行了冷加工等传统强化处理，但强度的提高通常伴随着延展性的降低[3]，这反映了众所周知的强度-延展性权衡[4,5]。引入梯度结构已被证明是缓解金属系统中这种权衡的有效策略[4,[6], [7], [8]]。机械表面处理（如研磨[9]和轧制[10]）也被用来从内部到表面逐渐减小晶粒尺寸，从而提高应变硬化能力并显著改善强度-延展性平衡[11]。在电沉积铜中还实现了晶粒尺寸和孪晶密度/间距的双重梯度[12]，这种独特的梯度结构赋予了超过无梯度材料的强度和硬化水平。然而，这些传统合成方法存在固有的局限性：表面处理难以应用于几何形状复杂的部件，电沉积仅适用于少数金属，且沉积速率较慢；此外，可获得的梯度类型和数量也非常有限。

增材制造技术能够逐层控制微观结构和成分，为制造具有复杂几何形状的大尺寸工业相关部件提供了极大的设计自由度[13,14]。因此，增材制造是创建具有梯度结构的材料的理想平台[15]。迄今为止，增材制造已被广泛用于生产功能梯度材料（FGMs），以替代不同金属的焊接接头[[15], [16], [17]]。例如基于钛的FGMs，如Ti-6Al-4V/SS [18]、Ti-6Al-4V/Ni [19]、Ti-6Al-4V/Mo [20]、Ti/SiC [21]和Ti/Al₂O₃ [22]。然而，热膨胀系数的巨大差异常常导致裂纹，而在增材制造过程中形成的脆性金属间化合物（如FeTi、Fe₂Ti）会进一步降低材料的完整性[23]，使得许多这类FGMs难以实用。因此，由于不锈钢的广泛工业应用，它们成为了FGMs的有吸引力的候选材料。已经开发了不锈钢与镍之间的FGMs，用于替代核动力系统中的焊接接头[24]，还有其他基于钢的FGMs，包括20Mn2SiCrMo/18Ni300 [25]、316L/Stellite-12 [26]、316L/Fe3Al [27]、316L/P21 [28]和H13工具钢/Cu [29]。不幸的是，许多这类FGMs的强度提升有限；有些甚至低于单一钢材料的强度[29]。这引发了这样一个问题：增材制造的梯度结构是否真的能够提高不锈钢的机械强度。

在这项工作中，我们使用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了具有优异机械性能的梯度316L合金。通过先进的电子显微镜阐明了其多尺度微观结构，并通过实验确定了导致优异性能的变形机制。我们还展示了独特的四重梯度结构的形成，并开发了一个机械强度模型，定量整合了各种强化机制和结构成分的贡献。这项研究为通过增材制造技术设计具有优异强度-延展性组合的不锈钢合金提供了途径，从而扩展了其在高要求环境中的应用范围。

方法部分

方法

本研究使用了两种粉末：316L粉末和添加了4 wt.% TiC的316L粉末。选择这两种粉末是因为316L和316L/TiC具有相似的物理性质，因此在两者界面不会形成裂纹或脆性金属间化合物。316L粉末的晶粒尺寸在15至50 μm之间，TiC粉末的尺寸约为50 nm。TiC粉末与316L粉末的重量比为1:24。

机械性能

图2(a)展示了均匀316L、G1和G2样品的横截面局部硬度分布。316L的硬度分布相对平坦，平均值约为230 HV。相比之下，G1和G2样品的硬度分布明显不同。G1样品表面的硬度高于中心，这一趋势与通过传统合成方法制备的梯度金属合金一致[11]。相反，G2样品……

增材制造技术实现的前所未有的梯度

如第3.3节所示，微观结构表征证实增材制造技术成功制备了具有晶粒尺寸、晶界特性、沉淀物分布和化学成分四重梯度的不锈钢。据我们所知，无论是传统合成方法还是增材制造技术，都没有报道过如此广泛的梯度范围。此外，这种梯度不锈钢没有常见的金属缺陷，如大孔隙或有害的金属间化合物。

结论

通过激光粉末床熔融工艺成功制备了梯度316L不锈钢。通过实验系统地研究了其在室温下的机械行为和潜在的变形机制。主要发现总结如下：

• 1. 梯度结构显著增强了机械性能。 引入梯度结构使屈服强度提高了47%，抗拉强度提高了45%

CRediT作者贡献声明

严少华：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据分析、概念化。伊尔查特·萨比罗夫：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、指导、实验研究、数据分析。秦庆华：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、指导、实验研究。廖小洲：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、指导、实验研究、数据分析。