增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定机理研究成果

来源：上海交通大学材料学院

近日，上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院陈军教授课题组安大勇副教授，联合西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授和德国马普钢铁所材料可持续合成课题组组长马焱博士（现荷兰代尔夫特大学助理教授）等，在增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定性机理研究中取得了重要进展，相关成果以“The Role of Dislocation Type in the Thermal Stability of Cellular Structures in Additively Manufactured Austenitic Stainless Steel”为题发表在Advanced Science上（https://doi.org/10.1002/advs.202402962）。

激光粉末床熔融技术（LPBF）可以实现金属复杂零部件的高精度成形，已经发展成航空航天等领域的关键制造技术。LPBF制备的金属材料常具有亚微米尺度的凝固胞状结构，其含有高密度位错、纳米析出相和元素偏析等，对打印件的力学性能具有很大的影响。由于增材制造构件常服役于高温环境，打印组织的热稳定性决定了其服役可靠性。因此，揭示影响胞状结构热稳定性的关键因素及其内在机理对评估和提高增材制造零部件高温性能至关重要。

本文通过原位电子通衬度成像（ECCI）、高分辨电子背散射衍射（HR-EBSD）等先进表征技术结合三维离散位错动力学（3D-DDD）模拟手段，系统性揭示了凝固胞状结构中不同位错类型的形成机理及其对热稳定性的影响。如图1所示，研究发现：位错胞中绝大部分位错为统计储存位错（SSD），因此其取向差极小（<0.1°）。亚晶界（SGB）往往与凝固胞状结构边界重合，并且具有更高的几何必需位错（GND）。TEM-EDS结合HR-EBSD结果表明，在存在Cr元素偏析的位错胞中，螺位错类型占主导地位。而在Cr元素无明显偏析的位错胞中，探测到了刃位错为主的位错结构。上述结果表明：不同位错类型与Cr元素偏析相关，这是由于Cr元素偏析导致局部层错能的下降，大大提高了该区域螺位错的稳定性，最终形成螺位错占主导的位错结构。

图1 胞状结构种不同位错类型的形成机理

研究团队进一步阐明了不同位错类型对胞状结构热稳定性的影响规律及其内在机理（图2）：螺位错可以促进位错从位错胞/SGBs中脱钉，导致其具有较高的迁移/湮灭能力。相比之下，刃位错占主导的位错结构迁移需要位错之间相互协同运动，大大降低了其迁移速度，从而表现出更高的热稳定性。SGBs迁移过程中，不断捕获相邻的位错，因此，其取向差的增大或降低取决于相邻位错的符号。本研究强调了位错类型在凝固胞状结构热稳定性中的重要作用。此外，研究成果还为如何通过调节局部化学成分/层错能实现对位错类型的调控提供新的思路。

图2 位错类型对亚晶界/位错胞热稳定性影响

研究团队感谢云耀深维（江苏）在LPBF样品制备上提供的技术支持。上述研究工作得到了国家自然科学基金（52101022, 12222209, 52101202）和国家重点研发计划（2022YFE0196600）的资助，也是团队近期在增材制造奥氏体不锈钢凝固胞状结构演变机理（Materials Research Letters 2024, 12(1):42-49）和高强韧机理（International Journal of Plasticity, 2023,170:103769）基础上的进一步拓展。