低密度超高強(qiáng)度鋼(LD-UHSS)在汽車和航空航天部件的輕量化設(shè)計(jì)中引起了極大的研究興趣。然而，由于鋁(Al)的夾雜導(dǎo)致其成形性和可焊性差，限制了其應(yīng)用。清華大學(xué)陳浩等學(xué)者在Additive Manufacturing 期刊中發(fā)表了“In-situ alloyed ultrahigh strength steels via additive manufacturing”一文，提出了一種利用激光粉末床熔合原位合金化技術(shù)設(shè)計(jì)和制造一系列低密度超高強(qiáng)度鋼的方法。本期谷.專欄將簡(jiǎn)要分享這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004384

鋁的加入不僅降低了新設(shè)計(jì)的LD-UHSS的密度，而且通過(guò)B2相的析出顯著增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)度。此外，激光增材制造導(dǎo)致在馬氏體相的胞壁處形成細(xì)小的亞穩(wěn)保留奧氏體，有助于提高延展性。與傳統(tǒng)低密度鋼相比，LD-UHSS的δ-鐵素體相強(qiáng)度顯著提高，這是由于LD-UHSS的晶粒尺寸更小，且存在大量析出相，有助于提高加工硬化能力。此外，開(kāi)發(fā)的LD-UHSS中的B2相結(jié)構(gòu)更精細(xì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了基體。然而，需要注意的是，鋁的過(guò)量添加會(huì)導(dǎo)致鋼的脆性，這是由于B2相的大量析出和δ-鐵素體的增加。增材制造為生產(chǎn)LD-UHSS提供了一條可行的途徑，通過(guò)定制B2相、亞穩(wěn)奧氏體和δ-鐵素體等關(guān)鍵相，有效地優(yōu)化了LD-UHSS的力學(xué)性能。這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)用于各種工業(yè)應(yīng)用的輕質(zhì)、高強(qiáng)度鋼開(kāi)辟了新的途徑。

 研究背景

航空航天和汽車工業(yè)對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)材料有巨大的需求，因?yàn)樗鼈兛梢詼p少燃料消耗，提高有效載荷能力，延長(zhǎng)使用壽命。超高強(qiáng)度鋼(UHSS)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在這些領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鋁(Al)是用于低密度鋼的主要合金元素，僅添加1%重量百分比的鋁就可以使鋼密度降低1.3%。在鋼中加入鋁不僅降低了鋼的密度，而且通過(guò)形成金屬間化合物有效地強(qiáng)化了基體。然而，高鋁含量的Fe-Mn-Al-C低密度鋼的鑄造和加工面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些合金的高錳含量和伴隨的蒸氣壓使其冶金加工異常困難。在傳統(tǒng)的低密度鋼中，高鋁的添加量導(dǎo)致煉鋼過(guò)程中的鋼質(zhì)量低下，而在連鑄時(shí)，液態(tài)氧化鋁的存在會(huì)導(dǎo)致噴嘴堵塞。此外，傳統(tǒng)的低密度鋼具有較差的成形性和可焊性。Sohn等研究了高鋁含量低密度鋼的開(kāi)裂現(xiàn)象。

為了克服與低密度鋼制造相關(guān)的問(wèn)題，增材制造-3D打印已經(jīng)成為生產(chǎn)新型低密度鋼的一種有前途的技術(shù)。激光粉末床熔融(L-PBF) 增材制造技術(shù)為低密度鋼的生產(chǎn)提供了一條新途徑，解決了傳統(tǒng)高鋁合金低密度鋼鑄造過(guò)程中面臨的一些難題。L-PBF的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其原位冶金工藝，避免了在鑄造過(guò)程中遇到的低密度鋼中鋁含量高的問(wèn)題。由于熱加工階段的原因，在傳統(tǒng)的低密度鋼中很難消除(Al, Mn, Fe)氧化物的存在，而在L-PBF中避免了這些氧化物的存在，因?yàn)樗�是在氧氣含量極低的氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行的。L-PBF技術(shù)可以高效制造低密度鋼，具有同時(shí)具備優(yōu)良性能，而且方便大量生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的鑄造工藝需要大量的重復(fù)試驗(yàn)來(lái)達(dá)到所需的化學(xué)成分。相比之下，激光增材制造提供了一種方便有效的方法，通過(guò)混合粉末原位合金化來(lái)快速測(cè)試打印性和成分。由于不含鉻元素，傳統(tǒng)超高頻鋼的耐腐蝕和抗氧化性能較差。因此，通過(guò)鉻的加入，使用這類材料制造的超高頻衛(wèi)星系統(tǒng)在惡劣條件下的服務(wù)性能會(huì)得到改善。鋁是一種強(qiáng)鐵氧體前體，在激光增材制造UHSS過(guò)程中，隨著鋁含量的增加，形成δ-鐵氧體的傾向會(huì)增加，從而增強(qiáng)了它的脆性，增加了激光增材制造過(guò)程中的開(kāi)裂傾向。因此，適當(dāng)?shù)匿X含量對(duì)于激光增材制造是必要的。除鋁外，鈦(Ti)元素的摻入也可以降低鋼的密度，而不會(huì)顯著影響相成分。

本文介紹了低密度超高強(qiáng)度鋼(LD-UHSS)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了低密度超高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)概念、微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能。主要目的是探討LD-UHSS的成分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和潛在的強(qiáng)化機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)及采用激光增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種具有原位合金化Fe-Ni-Cr-Al-Ti成分的新型低密度超高強(qiáng)度鋼（LD-UHSS）。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印鋼的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。此外，本文還討論了鋁元素對(duì)LD-UHSS組織和力學(xué)性能的影響，以及所開(kāi)發(fā)的LD-UHSS所表現(xiàn)出的強(qiáng)化機(jī)制。

 圖文簡(jiǎn)析

圖1
(a) HA11混合粉末的SEM圖像，(b) EDS圖像顯示相應(yīng)的Fe, Al, Co, Cr, Ni, Ti和Mo元素分布。(i) HA11 LD-UHSS樣品，(j) HA11 LD-UHSS樣品的OM圖像和(k) HA11 LD-UHSS樣品的SEM圖像。

圖2
3D打印樣品(a, d) HA11， (b, e) HA12和(c, f) HA14的EBSD IPF和IQ圖像。

圖3
(a) HA11、(b) HA12、(c) HA14在不同條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。HA11試樣斷口形貌SEM圖:(d)打印后，(e) 450℃時(shí)效10 min， (f) 450℃時(shí)效15 min。

圖 4

STEM結(jié)果顯示HA11在400 ℃時(shí)效1 h的馬氏體相中的胞狀結(jié)構(gòu)：( a )胞狀結(jié)構(gòu)的BF圖像和( b )胞狀結(jié)構(gòu)的DF圖像 ( c )放大b的BF圖像和( d )對(duì)應(yīng)的胞壁的SADP圖像 ( e )顯示TiC析出相的HADDF圖像和( f )相應(yīng)的元素分布的EDS圖( g ) HADDF圖像顯示具有TiC沉淀的胞狀結(jié)構(gòu)和( h )相應(yīng)的元素分布的EDS圖。

圖5

AB試樣AlNi6TiZr合金的晶粒形貌、晶界分布和晶粒尺寸分布:(a-c);(d-f)為時(shí)效處理的標(biāo)本。

圖6
TEM結(jié)果表明，在400 ℃時(shí)效1 h后，HA11馬氏體相中形成了納米尺寸的B2相：( a )馬氏體相中的胞狀結(jié)構(gòu)，( b )胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的SADP圖像，( c ) B2相的CDF圖像。( d )馬氏體相的HRTEM圖像和相應(yīng)的( e ) FFT圖像和( f ) d中標(biāo)記區(qū)域的放大HRTEM圖像。

圖7
400℃時(shí)效1h的HA11馬氏體中B2析出相的APT分析:(a) 21 at% (Ni+Al)等濃度表面B2析出相的APT表征，(b) B2析出相平均組成的接近直方圖。

圖8
在400℃時(shí)效1 h后，HA11的δ-鐵素體相的析出相由STEM圖像顯示:(a) δ-鐵素體相的DF圖像和(b) δ-鐵素體相的HADDF圖像，TiC析出相(c)在δ-鐵素體晶粒內(nèi)，(d)在晶界。(e) c中黃色方框所示區(qū)域元素分布的EDS圖，(f) d中元素分布的EDS圖。(g) δ-鐵氧體相的BF圖(插入相應(yīng)的SADP圖)，(h) B2相的CDF圖，(i) δ-鐵氧體的HRTEM圖(插入相應(yīng)的黃色方框所示區(qū)域的FFT圖)，(j) i中所示區(qū)域的放大HRTEM圖。

圖9

用thermocalc 2023a計(jì)算(a) HA11和(b) HA14的平衡相分?jǐn)?shù)作為溫度的函數(shù)。拉伸試驗(yàn)中，HA11在450℃時(shí)效10 min后，在應(yīng)變?yōu)?.6%時(shí)中斷，裂紋源在δ-鐵素體相萌生:(c, f)裂紋源SE圖及相應(yīng)的(d, g) IQ圖和(e, h) IPF圖。

圖10

通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)獲得了不同條件下δ-鐵素體相和馬氏體相的硬度。

圖11
(a)根據(jù)Scheil-Gulliver模型計(jì)算的凝固過(guò)程中溶質(zhì)元素的分配情況。(b)不同條件下奧氏體相含量的XRD結(jié)果。(c) HA11在400℃時(shí)效1 h后的IPF圖像和相應(yīng)的(d) IQ +相圖像。

 結(jié)論

L-PBF增材制造原位合金化制備的低密度超高強(qiáng)度鋼（LD-UHSS）具有良好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度1325 MPa，抗拉強(qiáng)度1663 MPa，均勻伸長(zhǎng)率6.0%。值得關(guān)注的是，鋁含量的增加對(duì)應(yīng)著材料脆性的提高。這主要是由于δ-鐵素體含量的增加，晶粒內(nèi)部形成的B2相的致密性、脆性和沿晶界析出的TiC顆粒，δ-鐵素體在變形過(guò)程中成為其開(kāi)裂的來(lái)源。此外，時(shí)效處理過(guò)程中基體中大量析出的B2相，也在一定程度上促進(jìn)了其脆性提高。

原論文信息：

Xiaopei Wang, Weiting Li, Yingjie Yao, Luyao Fan, Jinhua Wang, Weiyi Wang, Pengyu Wen, Zhigang Yang, Hao Chen,In-situ alloyed ultrahigh strength steels via additive manufacturing,Additive Manufacturing,Volume 77,2023,103825,ISSN 2214-8604,

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103825.

(責(zé)任編輯：admin)

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