Lim K H, Bae J S, Chandra S, et al. Exceptional Creep Resistance of Additively Manufactured 316L Stainless Steel via Unprecedented Early Laves Phase Formation[J]. Materials Science and Engineering: A, 2025: 148006.
Lim, Kwang-Hyeok, et al. "Exceptional Creep Resistance of Additively Manufactured 316L Stainless Steel via Unprecedented Early Laves Phase Formation." Materials Science and Engineering: A (2025): 148006.
Lim, K. H., Bae, J. S., Chandra, S., Ryou, K., Choi, P. P., Tan, X., & Sim, G. D. (2025). Exceptional Creep Resistance of Additively Manufactured 316L Stainless Steel via Unprecedented Early Laves Phase Formation. Materials Science and Engineering: A, 148006.
背景简介
传统316L不锈钢不仅展现出卓越的韧性，而且在较宽温度范围内表现出优异的耐腐蚀性和抗氧化性，因而被广泛用于高温工况，例如压力容器和核反应堆内的管道系统。由于近年来增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的迅速发展，AM 316L展现出良好的强度和延展性，有潜力作为核反应堆容器和管道材料替代传统316L不锈钢。鉴于核反应应用中的服役条件（200-700℃下承压），加强AM 316L的抗蠕变性以及研究其蠕变机制至关重要。目前大多数关于AM 316L蠕变机制的研究表明，蠕变损伤主要沿晶界积累，最终导致材料失效。然而，晶界上析出相的析出行为及其对蠕变行为和变形机制的影响尚未得到深入研究。
成果介绍
（1）本文测试了电子束粉末床熔融（Electron Beam - Powder Bed Fusion, EB-PBF）制备316L在600℃和650℃下，蠕变应力为200至300 MPa条件下的蠕变性能，结果如图1所示。从图1可知，稳态蠕变主导了EB-PBF 316L的大部分蠕变寿命。从第一阶段蠕变过渡到第二阶段时，蠕变速率随着时间增加而逐渐降低。从图1c和1d中可以看出，EB-PBF 316L的蠕变寿命远高于激光粉末床熔融（LPBF） 316L。通过和文献的对比，EB-PBF 316L的稳态蠕变速率低于相同应力下的LPBF和传统316L，但是其断裂应变远低于传统316L。
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图1 EB-PBF 316L的蠕变试验结果：（a）蠕变应变-时间曲线；（b）蠕变速率-时间曲线；（c）650℃下应力-蠕变寿命图；（d）600℃下应力-蠕变寿命图
（2）图2展示了蠕变断裂后材料内部的微观组织变化。经过高温蠕变后，晶界上出现了细小的富Mo和Si元素的Laves相，且其倾向于在硅氧化物周围析出。然而，蠕变试验后晶界上并没有观察到其他析出相，例如σ相和碳化物。通过热力学计算（图3b和3c）发现Mo和Si元素能够明显加快Laves相的析出，因此蠕变试验前就存在的硅氧化物中扩散至晶界的Si元素会使Laves相的析出大大提前，远快于传统316L中的Laves相析出。
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图2 在650℃、250 MPa条件下进行蠕变试验后析出相透射表征结果：（a）晶界上观察到的Laves析出相表征图像；（b）局部放大图；（c）Mo和Si元素分布图；（d）Laves相附近发现硅氧化物
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图3 (a) 650℃下测得EB-PBF 316中基体（黑线）和晶界（红线）内Laves相含量随蠕变时间的变化；（b）热力学计算得不同Mo含量下的Laves相等温转变曲线；（c）热力学计算得不同Si含量下的Laves相等温转变曲线
（3）由图4的透射图可知，Laves相和基体共格。这些共格界面比规则晶界更有效地抑制了晶界滑移，从而降低了蠕变空洞的形核和生长速率。总的来说，Laves相通过阻碍晶界迁移、蠕变空洞形成和位错运动提高了EB-PBF 316L的抗蠕变性能。而其蠕变延性低的原因是内部存在更多的晶界。与传统316L相比，垂直于加载方向的晶界数量更多，这些晶界在第三阶段蠕变期间作为空洞形成、合并和裂纹扩展的成核位点，最终导致延性降低。
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图4 （a）EB-PBF 316L在650℃和250MPa蠕变后晶界附近的高分辨透射图像，放大的高分辨透射图像显示了（b）晶粒1和Laves相之间的共格界面，以及（c）晶粒2和Laves相之间的共格界面，（d）将（b）中选定区域的快速傅里叶变换衍射图样
（4）对比发现，EB-PBF 316L的稳态蠕变速率预测更符合幂律失效模型（公式2）而不是幂律模型（公式1），表明位错滑移主导蠕变行为，应用蠕变幂律和幂律失效公式的计算结果如图5a所示。而低层错能的材料往往会阻碍位错结的形成，并阻碍位错滑移。根据实测材料化学成分，再通过JMatPro计算得到EB-PBF、传统和LPBF三种材料的层错能，发现EB-PBF 316L的层错能最低，对应表现出最低的稳态蠕变速率，从而提高蠕变抗性。
式1：
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其中，c和k为常数，μ为剪切模量，b为柏氏矢量，Dc为位错核心扩散系数，n为蠕变指数，T为温度。
式2：
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其中，α和β为常数，μ为剪切模量，Dc为位错核心扩散系数，n为蠕变指数。
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图5 （a）EB-PBF 316在650℃下的幂律蠕变模型曲线（蓝色虚线）和幂律失效模型曲线（红色虚线）；（b）应用JMatPro软件计算得到的三种材料的层错能对比结果
致谢
这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF） （2023M2D2A1A01078149，RS-2024-00402378）的支持。GDS 还感谢KAIST UP计划的支持。XPT感谢新加坡教育部学术研究基金（22-4902-A0001）的资助。本文第一作者：Kwang-Hyeok Lim（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST），本文通讯作者：Gi-Dong Sim（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）。
本期小编 潘宇杰（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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