通过微观结构和相控技术减轻激光粉末床熔融SAF 3207超双相不锈钢中的氢脆现象

《Materials Science and Engineering: A》：Hydrogen embrittlement mitigation via microstructural and phase control in laser powder bed–fused SAF 3207 hyper duplex stainless steel

氢脆严重制约双相不锈钢可靠性，研究显示通过1150℃热处理优化SAF 3207超双相不锈钢的微观结构（减少CrN析出<0.5%，平衡δ/γ相比例），增强氢扩散阻碍并利用位错强化提升强度-塑性协同效应，有效缓解氢致脱粘脆断。

　　

Jalal Kangazian|Soung Yeoul Ahn|Bon Woo Koo|Jae Heung Lee|Man Jae SaGong|Renhao Wu|Do Won Lee|Longfei Xu|Ho Hyeong Lee|Dong-Woo Suh|Hyoung Seop Kim

韩国浦项科技大学（POSTECH）铁基与生态材料技术研究生院（GIFT），浦项，37673

摘要

氢脆严重限制了双相不锈钢（DSSs）在富氢或腐蚀性环境中的可靠性。本研究将微观结构与性能相关联，表明通过基于激光的粉末床熔融（PBF-LB/M）增材制造技术制备的SAF 3207超双相不锈钢经过热处理（HT）后，氢脆现象得到缓解。原始微观结构主要由柱状δ-铁素体（约占74%）和纳米级CrN沉淀物以及少量γ-奥氏体（约占26%）组成，导致高强度（约1380 MPa），但延展性有限且对氢敏感。在1150 °C下进行热处理后，原始结构转变为近乎平衡的δ/γ双相结构，Cr氮化物含量降低（<0.5%），并形成了大量的退火孪晶和变形孪晶。这种改性通过孪晶诱导的塑性和异质变形诱导的回火硬化增强了强度-延展性协同效应。对原始样品和经过热处理样品进行氢充入处理后，其机械响应和断裂模式均发生变化，导致通过氢增强脱粘机制发生脆性断裂。热处理的实施主要通过增加奥氏体比例和破坏铁素体连通性来提高抗氢脆能力，从而实现氢的动态固定。这些发现确立了相平衡和孪晶边界工程作为设计增材制造双相不锈钢的有效途径，使其在体外充氢条件下具有更强的抗氢辅助失效能力。

引言

增材制造（AM）能够制造出接近净形状、高性能且几何形状复杂的金属部件，适用于能源、石油和天然气、化工、海洋和石化等行业，这些领域通常需要不锈钢来承受极端环境[1]、[2]、[3]、[4]。在这些应用中，双相不锈钢（DSSs）因其高强度、足够的延展性和优异的点蚀抗性而备受青睐，使其成为恶劣工作条件下的理想选择[5]、[6]、[7]、[8]。因此，近年来双相不锈钢的增材制造受到了越来越多的关注。然而，AM制造的DSSs的广泛应用仍受到若干冶金挑战的制约[9]、[10]。

在定向能量沉积和电子束粉末床熔融过程中，相对较高的热输入和适中的冷却速率往往会导致奥氏体过度形成、δ/γ相比例失衡，或者由于固化及冷却行为不佳而析出有害的次级相（如Cr氮化物和σ相）[10]、[11]、[12]。相比之下，基于激光的粉末床熔融（PBF-LB/M）通常会产生几乎完全由柱状铁素体组成的微观结构，其中分散着Cr氮化物。这是因为PBF-LB/M过程中的快速固化抑制了冷却过程中的δ-铁素体向γ-奥氏体的转变[13]、[14]。这种以铁素体为主的结构导致了各向异性和强度-延展性的权衡。

为了克服这些限制并获得强度-延展性协同效应，人们提出了多种方法，例如开发高氮无镍合金[15]、金属基复合材料[16]和混合粉末策略[17]、[18]。尽管付出了这些努力，原始微观结构的固有缺点尚未得到完全解决。最近的研究表明，后退火是一种有效的后处理方法，可以通过增强延展性、韧性并减少各向异性来调整相平衡并改善AM制造DSSs的机械性能[19]、[20]。热处理（HT）对于应力释放和防止部件从构建板上分离后的变形也是必不可少的[21]。然而，对于经过热处理的AM制造DSSs的微观结构演变和变形机制的全面理解仍然有限[22]、[23]、[24]。

此外，大多数先前的研究都集中在PREN（点蚀抗力等效数）低于43的双相不锈钢等级上，这些等级无法满足深海石油和天然气系统等极端腐蚀性环境的要求[25]、[26]、[27]。此外，传统制造的DSSs在含氢环境中的机械可靠性会因氢脆而严重下降[28]、[29]。在阴极保护或暴露于富氢气氛中时，氢会迅速扩散通过铁素体相并在δ/γ界面处聚集，导致微孔形成和晶间裂纹[30]。尽管AM制造DSSs的微观形态和缺陷密度与传统加工钢材有显著差异[10]，但其氢脆行为尚未得到系统研究。

为了解决这些问题，本研究调查了通过PBF-LB/M工艺制造的SAF 3207超双相不锈钢（HDSS）的微观结构演变和与氢相关的机械响应，该钢在双相不锈钢等级中具有最高的耐腐蚀性（PREN约为51）。在无氢和含氢状态下，分别考察了原始状态和经过热处理的状态。热处理温度对相平衡、孪晶边界比例和Cr氮化物溶解的影响与拉伸行为和氢脆敏感性进行了关联分析。研究结果表明，优化的热处理通过改变氢扩散路径有效缓解了氢引起的降解。本研究提供了AM制造DSSs的微观结构-性能-氢之间的关系，使其在极端环境中具有更强的耐氢能力。

部分摘录

粉末、PBF-LB/M工艺和热处理

本研究使用的原料是预合金化的SAF 3207 HDSS粉末，其化学成分列于表1中。粉末的粒径分布为D₁₀ = 17 μm、D₅₀ = 32 μm、D₉₀ = 47 μm，如图1a所示，具有近似球形的颗粒形态和少量的卫星颗粒。使用Concept Laser M2 PBF-LB/M系统进行固化，制造了层厚为50 μm的薄壁矩形样品（图1b），激光功率为200 W。

原始样品的微观结构

原始样品的微观结构通过EBSD和ECCI进行了表征，结果如图2所示。EBSD图中的虚线白色边界清晰地标出了PBF-LB/M工艺特有的熔池边界。相图（图2a）显示，基体为体心立方（BCC）δ-铁素体，其中包含约26%的面心立方（FCC）γ-奥氏体。亚微米到纳米级的Cr氮化物（主要是CrN）

变形前的原始和热处理状态下的微观结构演变

对原始样品的微观结构分析表明，其中形成了大量的Cr₂N和CrN形式的Cr氮化物，这与先前关于AM加工DSSs的研究结果一致[9]、[38]。具有HCP晶格结构的Cr₂N比具有NaCl型晶格结构的CrN更稳定；然而，由于在铁素体中的沉淀应变能较低，因此CrN与Cr₂N共同存在

结论

本研究通过微观结构和相控制，探讨了热处理如何缓解PBF-LB/M制造的SAF 3207超双相不锈钢中的氢脆现象。主要结论如下：

•

微观结构转变：原始样品主要由柱状δ-铁素体和纳米级Cr氮化物组成，在1150 °C热处理后转变为近乎平衡的δ/γ双相结构，Cr氮化物含量降低至0.5%以下

CRediT作者贡献声明

Hyoung Seop Kim：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、方法论制定、资金获取、概念构思。Jalal Kangazian：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定、实验研究、数据管理。Soung Yeoul Ahn：撰写 – 审稿与编辑、方法论制定、实验研究、数据管理。Bon Woo Koo：实验研究、数据管理。Jae Heung Lee：实验研究、数据管理。Man Jae SaGong：实验研究、数据管理。Renhao Wu：

未引用的参考文献

[77]。

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

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利益冲突声明

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