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引文格式：
Hu H Y, Zhao T J, Ning Z H, et al. A novel age-hardenable austenitic stainless steel with superb printability[J]. Acta Materialia, 2024: 120547.
Hu, Huayan, et al. "A novel age-hardenable austenitic stainless steel with superb printability."Acta Materialia (2024): 120547.
Hu, H. Y., Zhao, T. J., Ning, Z. H., Wen, J. F., Shen, T. D., Wang, S. J., & Song, M. (2024). A novel age-hardenable austenitic stainless steel with superb printability.Acta Materialia, 120547.
背景简介
激光粉末床熔化（LPBF）增材制造技术因其高度的设计灵活性和近净成形能力，受到业界广泛关注。然而，LPBF过程中的快速冷却特性及其导致的柱状晶生长凝固模式，使得许多商用合金难以制备。例如，γ'沉淀硬化镍基合金和奥氏体不锈钢，在打印过程中容易产生热裂纹。传统方法通常通过减少溶质偏析或促进柱状晶向等轴晶转变的方法来缓解这一问题。然而，近期上海交通大学宋淼副教授和上海大学王淑娟副教授研究团队采用相反的策略在不锈钢的打印过程中加强溶质偏析，特别是提高强偏析元素Ti的含量，在LPBF增材制造中实现了新型γ'强化奥氏体不锈钢（Febal.Ni29Cr17Ti6.5Al5, at. %）的近无缺陷制备。其主要原理在于，打印过程中增强的溶质偏析在胞壁/枝晶间促进了类包晶反应，形成摩尔体积较大的多相结构，这不仅有效填充了奥氏体枝晶间隙，还在原始材料中形成了多尺度异质结构。因此，材料在打印过程中没有形成热裂纹，反而展现出宽幅的LPBF高质量制备窗口（致密度均高于99.9 %）。同时，经过简单的后续热处理，该合金的室温力学性能可以在较大范围内调控，拉伸屈服强度可调范围为300 MPa至1460 MPa，均匀延伸率可调范围为59.5 %至7.6 %。研究进一步分析了合金的凝固行为、微观组织及变形机理，揭示了该新合金实现优异可打印性与拉伸性能的微观机理。
成果介绍
（1）图1a和图1b显示，该新型不锈钢在宽幅打印参数范围内可实现近乎全致密化制备（相对致密度>99.9%）。图1c和图1d表明，Ni、Ti和Al等元素在非平衡凝固过程中易偏析至胞壁或枝晶间，这一特性促使在凝固末期（阶段IV）发生多相类包晶反应。类包晶反应所产生的等温平台显著降低了凝固末端的开裂倾向，同时生成的多种析出相有效填充了奥氏体枝晶，从而避免了热裂纹的形成。
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图1 （a）不同参数制备的新型不锈钢样品的光学显微镜图片，显示了样品的孔隙情况，（b）相对致密度与体能量密度关系，（c）Thermo-Calc软件计算的Scheil-Gulliver凝固曲线，（d）非平衡凝固过程中液相中合金元素随固体摩尔分数的变化规律
（2）图2a和2b显示，偏析促进的凝固反应在打印材料中形成了由L21/BCC/C14多相结构附着的位错胞壁结构，胞内为奥氏体。TEM和EDS元素面扫描（图2c）显示，Ni、Ti和Al等易偏析元素在胞壁富集；此外，打印过程中的快速冷却使得部分Fe和Cr元素难以完全扩散，导致它们与偏析元素共同在胞壁形成了非平衡的L21/BCC条幅析出相（图2d-f）。
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图2 打印材料的微观组织结构：（a）TEM明场像，（b）胞内奥氏体的选区电子衍射图，（c）位错胞结构及元素分布，（d）分布于位错胞壁的L21/BCC条幅相的TEM明场像，（e）析出相的衍射图，（f）L21相的TEM暗场像
（3）中温老化可促使偏离平衡态的打印原始组织发生演变。例如，在700 ℃时效2小时后，胞壁析出相结构发生分解，同时，胞内析出高密度的γ'纳米共格析出相（图3a-c）。TEM和EDS元素面扫（图3d-g）显示，原始态中以L21/BCC为主的条幅析出相演化为由L21/σ/η复合析出相构成的胞壁，并与胞内纳米共格析出相共同形成了多尺度异质结构。
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图3 打印老化态材料的微观组织结构：（a）TEM明场像，（b）胞内弥散γ'相的暗场像以及相应的选取电子衍射图，（c）γ'相的定量统计，（d）L21/σ/η多相构成的胞壁及元素分布，（e）Ni2TiAl-L21相的选区电子衍射图，（f）FexCr1-x-σ相的衍射图，（g）Ni3Ti-η相的傅里叶变换图
（4）图4a和4b展示了新型不锈钢在原始态、老化态和完全再结晶态下的室温拉伸曲线。结果表明，该新型不锈钢具有接近各向同性的室温拉伸性能；通过简单的时效热处理，可实现拉伸屈服强度从300 MPa至1460 MPa，均匀延伸率从59.5 %至7.6 %的调控。得益于多尺度异质结构，老化态（注：AM-DA）材料的屈服强度和极限抗拉强度超过了现有增材制造商用不锈钢的性能（图4c和图4d）。
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图4 新型沉淀硬化不锈钢的常温力学性能：（a）垂直打印方向的应力-应变曲线，（b）平行打印方向的应力-应变曲线，（c）和（d）与其他增材制造钢材的屈服强度、极限抗拉强度及均匀延伸率对比
该研究表明，借助增材制造过程中非平衡凝固特性实现的溶质原子偏析工程，可以提供多种凝固或相变路径，从而有效缓解传统高强合金中的热裂纹问题。与此同时，凝固反应形成的多种沉淀相与打印过程中生成的位错组织共同构成多尺度异质结构，该结构在变形过程中可能产生变形梯度，促进多种变形机制的协同作用，从而实现优异的可打印性能和拉伸性能。
致谢
该项目获国家自然科学基金、中国核工业集团公司领创项目等资助。本文第一作者：Huayan Hu (School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University)，通讯作者：Shujuan Wang（Materials Genome Institute, Shanghai University），Miao Song (School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University)。
本期小编 胡华彦、赵天吉（整理）
董乃健（发布）
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