通过激光粉末床熔融工艺制备的一种新型Ti2AlC增强不锈钢的微观结构演变及其优异的机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and superior mechanical properties of a novel Ti2AlC-reinforced stainless steel manufactured via laser powder bed fusion

　　

兰图·李 | 国亮·黄 | 梅玲·姜 | 建宇·冯 | 徐东·吴 | 英轩·李 | 孔·黄

四川大学材料科学与工程学院，中国成都610065

摘要

316L不锈钢（316L-SS）因其出色的耐腐蚀性而被广泛使用。然而，其相对较低的屈服强度限制了其在承重和高强度结构部件中的应用。陶瓷增强的316L不锈钢复合材料可以提高其强度。MAX相是一种先进的金属陶瓷材料，与金属具有高度兼容性，并通过多种增强机制有效增强钢材的性能。在本研究中，为了制备高强度的316L-SS，初步探讨了MAX-钢复合材料的成形性、微观结构和力学性能。向不锈钢中添加了3 wt.%和5 wt.%的Ti₂AlC（一种经典的MAX相），并通过激光粉末床熔融技术制备了这些复合材料。结果表明，添加了Ti₂AlC的316L-SS复合材料具有优异的力学性能：其屈服强度和抗拉强度分别达到了917.6 MPa和1036.7 MPa，比316L-SS（分别为449.6 MPa和557.4 MPa）高出104%和86%，同时保持了20.5%的伸长率。添加3 wt.%的Ti₂AlC后，平均晶粒尺寸从7.29 μm减小到1.39 μm。奥氏体和铁素体的平均几何必要位错（GND）密度分别为5.32×10¹⁴ m^-2和5.67×10¹⁴ m^-2，而316L-SS中单相奥氏体的平均GND密度为2.39×10¹⁴ m^-2。复合材料力学性能的显著提高主要归因于晶粒细化和位错强化。本研究证明了用Ti₂AlC陶瓷增强316L-SS是可行的，为制备高性能不锈钢提供了一种新方法。

引言

316L不锈钢（316L-SS）是一种典型的奥氏体不锈钢，由于其优异的耐腐蚀性、力学性能和生物相容性，已被广泛应用于化学工程[1]、医疗[2]和海洋工程[3][4]领域。然而，为了适应极端环境（如船舶部件、发动机部件和核电站设施等工程组件），其强度已不足以满足应用要求[5][6]。提高不锈钢强度的主要方法包括成分优化[7]、热处理[8][9]、制造工艺改进[10][11]以及复合材料制备[12][13]。其中，最有效的方法是制备复合材料，通过多种增强机制的组合效应来提高不锈钢的力学性能[14][15]，特别是通过添加与基体有强亲和力的金属陶瓷[16]。

与此同时，作为一种先进的增材制造技术，激光粉末床熔融（LPBF）已广泛应用于不锈钢复合材料的制备[17][18]。例如，Zhai等人[19]在316不锈钢中加入了3 wt.%的TiC，使其强度提高了约38.9%，达到832 MPa；Yan等人[20]在316L-SS中加入了1.5 vol%的TaC，硬度提高了约21.8%，达到277.7 HV；Liu等人[21]向316不锈钢中加入了6 wt.%的TiB₂，使其屈服强度提高了29%；Wang等人[22]制备了用Al₃Ti增强的316L-SS复合材料，其屈服强度提高了27.98%；Chen等人[23]在316L-SS中加入了4 wt.%的TiC，抗拉强度提高了49.9%。尽管现有方法可以对316L-SS的力学性能产生积极影响，但其增强效果尚未达到预期的显著程度。此外，Li等人[24]通过焊接制备了CoCrNi-316L复合材料，其剪切强度达到了796 MPa。其他复合系统（如316L-WC[25]、316L-TiC[26]和TC4/316L[27]）的性能提升也较为有限（通常低于55%）。目前，用于316L-SS改性的各种掺杂材料系统仍存在一定的局限性，需要选择新的复合材料系统来进一步提升其力学性能。

近年来，MAX相作为一种具有独特层状结构的陶瓷金属复合材料受到了广泛关注。它们由交替的M_n+1X_n陶瓷层和A族金属层组成，通用化学式为M_n+1AX_n。其中，M代表过渡金属（如Ti、Cr、V等），A代表IIIA或IVA族元素（如Al、Si等），X代表碳（C）、氮（N）或硼（B）[28][29]。由于具有共价键、离子键和金属键的混合键合特性，MAX相兼具陶瓷和金属的优异性能[30]。传统的陶瓷增强材料（如TiC[19]、WC[31]和TiB₂[21]）虽然具有较高的化学稳定性，但与基体的界面润湿性较差，容易形成孔隙和微裂纹。相比之下，MAX相与金属基体具有良好的润湿性，并通过层间滑动、拔出和桥接等多种微观机制有效缓解裂纹并分散断裂能量[32]。在这些材料中，Ti₂AlC作为MAX相陶瓷的代表材料，因其优异的耐腐蚀性、自润滑性和晶粒细化能力而受到特别关注[33]。Sun[34]的研究表明，Ti₂AlC常被用作增强相，因为其具有较高的强度和塑性。例如，Zhang等人[35]在Ni60WC涂层中添加Ti₂AlC后，抗拉强度提高了约9.1%；Wang等人[36]在TiAl合金中原位合成了Ti₂AlC，复合材料的抗拉强度在高温下提高了28.3%。因此，Ti₂AlC MAX相陶瓷作为添加剂可以显著提升金属材料的性能，但其在不锈钢中的应用尚未得到报道。

本研究首次通过激光粉末床熔融技术制备了不同Ti₂AlC含量的MAX-316L复合材料，并探讨了Ti₂AlC添加对不锈钢性能改性的可行性。系统研究了Ti₂AlC质量分数为0%、3 wt.%和5 wt.%时316L-SS复合材料的微观结构和力学性能，分析了Ti₂AlC含量对微观结构演变的影响机制，并建立了微观结构与性能之间的映射关系。研究结果不仅阐明了MAX相增强金属基体复合材料的可行性，也为高性能、定制化和高强度不锈钢组件的开发提供了重要参考。

章节片段

原材料

316L-SS粉末和Ti₂AlC陶瓷粉末分别由中航工业冶金有限公司（中国）和丰汇纳米材料有限公司（中国）提供。

图1（a-a1）显示了316L粉末的SEM图像，这些粉末未团聚且呈高度球形，粒径分布为20-60 μm，有利于LPBF打印过程中的粉末分散和流动。复合粉末在球磨机中以80 r/min的速度混合了22小时。图1（b）展示了复合材料的微观形态。

图3显示了不同Ti₂AlC掺杂含量对应的XRD相。316L-SS的衍射峰仅对应于γ-Fe奥氏体相。掺杂3 wt.%和5 wt.%的Ti₂AlC后，γ-Fe的衍射峰整体向左移动，并出现了新的α-Fe（铁素体）衍射峰。316L-SS的晶粒表现出明显的优选取向，主要生长方向沿（110）晶面。

掺杂Ti₂AlC后，奥氏体的衍射峰全部向左移动，并形成了新的α-Fe相。奥氏体衍射峰的移动受到多种机制的影响。一方面，Ti₂AlC的掺杂导致奥氏体晶界晶格常数膨胀[55]，从而使得γ-Fe的衍射峰整体向左移动[56]；另一方面，Ti₂AlC的热膨胀系数（8.2×10^-6 K^-1[57]显著较低

本研究初步探讨了通过激光粉末床熔融技术增材制造的Ti₂AlC增强不锈钢复合材料的可行性，并系统研究了316L-Ti₂AlC复合材料的微观结构和力学性能。主要结论如下：

(1)

316L-Ti₂AlC复合材料的微观结构演变。316L-Ti₂AlC复合材料的相组成为铁素体和奥氏体，平均晶粒尺寸

孔·黄：撰写、审稿与编辑、资源管理。英轩·李：软件开发、方法论。徐东·吴：数据可视化、验证。梅玲·姜：撰写、审稿与编辑、数据分析。建宇·冯：撰写、审稿与编辑、资源管理、数据分析。国亮·黄：撰写、审稿与编辑、研究设计、概念构建。兰图·李：初稿撰写、数据整理、概念构建

本研究的数据可向相应作者索取。

作者声明不存在利益冲突。

本研究得到了中国核动力研究院（编号：STRFML-2022-05-->）、国家自然科学基金（编号：52305391-->）和四川大学联合创新基金（编号：HG2022173）的财政支持。