激光粉末床熔融法常压制备无镍高氮奥氏体不锈钢

供稿人：王权威、鲁中良 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


钢是应用最广泛的结构工程合金。其中，奥氏体不锈钢（尤其是304、316和320牌号）以其优异的机械性能（强度、延展性和韧性）与耐腐蚀性相结合而占据着显着地位。在奥氏体不锈钢中，可以通过添加8至12wt%的Ni来稳定Fe（广泛称为“奥氏体”）的高温面心立方(FCC)相，这使得这些钢的价格相当昂贵。除了高成本之外，Ni的致癌性还阻止了这些具有出色腐蚀性能的钢被考虑用于生物医学应用。因此，大量的研究工作正致力于用Mn、C或N代替Ni。其中，与N合金化是有利的，因为(1)它含量丰富且价格低廉，(2)是一种强奥氏体稳定剂，(3)具有比C更好的固溶度和更有效的固溶强化，并且与Mn相比，可以提高抗点蚀性。当铁素体中的N含量（即在室温下稳定的Fe的体心立方(BCC)相）超过0.08wt%或奥氏体中的0.4wt%时，钢被称为高氮钢(HNS)。它们的强度很容易达到退火AISI200和300系列钢的2–3.5倍。

合成HNS的主要挑战来自大气压(atm)下N在Fe基材料中的有限溶解度，以及常规制造设备和高压制造过程的复杂性。增材制造(AM)的出现为材料开发和制造开辟了一条新途径，尤其是金属合金和复合材料。基于此，本文提出并证明了一步激光粉末床熔融法(LPBF)制造方法在环境压力下含有超过0.8wt% N的无镍HNS的可行性。

使用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了 HNS（以 300 mm/s 打印）的微观结构（如图1所示）。它证实了它们中的大多数相确实是奥氏体。还观察到一小部分BCC(<0.5%)和微量不完全熔化的CrxN(< 0.1%)。

图1 显微照片显示了在175W、300mm/s下制造的试样的微观结构 IPF Z：沿 z方向的反极图视图

图2为沿TD和BD加载的 HNS 的应力-应变曲线。与不含N的对应物(265.89±12.76 HV0.5)相比，HNS(383.99±16.25 HV0.5)的硬度显着提高(大约44%)。后者中的主要微观结构相是 BCC（>60wt%），它通常比 FCC 相硬得多，而且多孔性也大大降低（相对于300mm/s的相同扫描速度）。尽管具有更高的孔隙率，HNS 的机械性能也明显优于AM制造的 316L，孔隙率约为 0.06%。由于N引起的固溶强化，HNS的硬度提高了70%以上，屈服强度也提高了约59%。

图2 沿TD和BD加载的HNS的应力-应变曲线（插图显示了拉伸试样的尺寸）

综上，为了克服目前高压制备技术的缺点，也可以在大气压力下，以二元金属氮化物为N源，通过LPBF工艺制备HNS。印刷后的试样具有高N含量、显着的机械性能。这一发现对促进N钢的工业和生物医学应用具有重大影响。
参考文献：

    Cheng B、Wei F、Teh W 等。 激光粉末床熔融法常压制备无镍高氮奥氏体不锈钢[J]． 增材制造，2022：102810。