馬普所最新《Nature》增材制造1.3GPa強度，10%延伸率新型鋼材

導讀：激光增材制造的部件經歷了大量的循環再加熱，研究者可以利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結構，實現對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制了機械行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率。采用的原位沉淀強化和局部組織控制原理可廣泛應用于沉淀硬化合金和不同添加劑的制造工藝，避免了耗時和昂貴的后處理時效熱處理，也提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統熱處理不可能做到的。

激光增材制造對于利用計算機輔助設計模型從金屬粉末中生產復雜的三維部件極具吸引力。例如，通過使用高冷卻速率和循環再加熱，該方法可以實現加工參數的數字化控制，從而產生合金的組織。

近日，來自德國馬普所的Philipp Kürnsteiner、Dierk Raabe 等研究者最近研究表明，這種循環再加熱，即所謂的本征熱處理，可以在激光增材制造過程中在鐵鎳鋁合金中觸發鎳鋁沉淀。在這里，研究者們報告了為激光增材制造量身定做的Fe19Ni5Ti(重量百分比)鋼。相關論文以題為“High-strength Damascus steel by additive manufacturing”于北京時間6月25日發表在Nature上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3

由激光增材制造(LAM)的部件經歷了特定的熱過程。首先是從液態快速淬火，然后是內在熱處理(IHT)，即由大量短的溫度峰值組成的循環再加熱。在定向能沉積(DED)中，零件是由激光熔化粉末由載氣通過噴嘴輸送。在DED中，提供了局部調整微觀結構的機會。然而，新材料必須是量身定制的，以最好地利用這些特殊條件，因為傳統的合金成分不能被期望有效地發揮作用，因為它們已經被優化為其他加工路線，例如鑄造或鍛造。

研究表明， IHT可以在鐵鎳鋁(Fe-Ni-Al)合金中觸發鎳鋁(NiAl)沉淀。這種所謂的馬氏體時效鋼的性能來自兩個重要的相變。首先，在經過奧氏體-馬氏體轉變的淬火過程中形成柔軟的富鎳馬氏體組織。隨后，該馬氏體通過第二次相變硬化，形成金屬間納米沉淀物。因此，以常規方式生產的和用LAM-生產的商業馬氏體時效鋼(例如18Ni-300)需要進行昂貴的時效處理，以形成增強性能的金屬間析出物。鐵-鎳-鈦(Fe-Ni-Ti)合金體系具有極快的Ni3Ti析出動力學，使其非常適合利用IHT期間的短溫度峰進行原位析出硬化。

在這里，DED工藝參數的數字化控制允許研究者在局部利用這兩種相變，并調整微觀結構，以創造一種靈感來自大馬士革鋼的新材料。大馬士革鋼的層狀結構最初是由于反復折疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的大復合材料而產生的，這給復合材料帶來了優異的強度和延性。研究者利用這一概念，通過利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結構，而不是通過折疊和鍛造來生產類似馬氏體的馬氏體時效鋼。

研究者專門設計了一種Fe19Ni5Ti (wt%)合金，以利用快速淬火和超前高溫。通過調整了DED工藝參數，以調節制造過程中的時間溫度分布，從而實現了對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制了機械行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率，顯示出比古大馬士革鋼更加優異的機械性能。這里所采用的原位沉淀強化和局部組織控制原理可廣泛應用于沉淀硬化合金和不同添加劑的制造工藝。該方法避免了耗時和昂貴的后處理時效熱處理，也提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統熱處理不可能做到的。