马普所最新《Nature》增材制造1.3GPa强度，10%延伸率新型钢材

导读：激光增材制造的部件经历了大量的循环再加热，研究者可以利用快速淬火、顺序原位加热和局部相变来制造层状微观结构，实现对马氏体形成和析出的精确、局部控制，从而控制了机械行为。研究的材料具有1300MPa的抗拉强度和10%的延伸率。采用的原位沉淀强化和局部组织控制原理可广泛应用于沉淀硬化合金和不同添加剂的制造工艺，避免了耗时和昂贵的后处理时效热处理，也提供了局部调整微观结构的可能性，这是传统热处理不可能做到的。

激光增材制造对于利用计算机辅助设计模型从金属粉末中生产复杂的三维部件极具吸引力。例如，通过使用高冷却速率和循环再加热，该方法可以实现加工参数的数字化控制，从而产生合金的组织。

近日，来自德国马普所的Philipp Kürnsteiner、Dierk Raabe 等研究者最近研究表明，这种循环再加热，即所谓的本征热处理，可以在激光增材制造过程中在铁镍铝合金中触发镍铝沉淀。在这里，研究者们报告了为激光增材制造量身定做的Fe19Ni5Ti(重量百分比)钢。相关论文以题为“High-strength Damascus steel by additive manufacturing”于北京时间6月25日发表在Nature上。

论文链接：

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

由激光增材制造(LAM)的部件经历了特定的热过程。首先是从液态快速淬火，然后是内在热处理(IHT)，即由大量短的温度峰值组成的循环再加热。在定向能沉积(DED)中，零件是由激光熔化粉末由载气通过喷嘴输送。在DED中，提供了局部调整微观结构的机会。然而，新材料必须是量身定制的，以最好地利用这些特殊条件，因为传统的合金成分不能被期望有效地发挥作用，因为它们已经被优化为其他加工路线，例如铸造或锻造。

研究表明， IHT可以在铁镍铝(Fe-Ni-Al)合金中触发镍铝(NiAl)沉淀。这种所谓的马氏体时效钢的性能来自两个重要的相变。首先，在经过奥氏体-马氏体转变的淬火过程中形成柔软的富镍马氏体组织。随后，该马氏体通过第二次相变硬化，形成金属间纳米沉淀物。因此，以常规方式生产的和用LAM-生产的商业马氏体时效钢(例如18Ni-300)需要进行昂贵的时效处理，以形成增强性能的金属间析出物。铁-镍-钛(Fe-Ni-Ti)合金体系具有极快的Ni3Ti析出动力学，使其非常适合利用IHT期间的短温度峰进行原位析出硬化。

在这里，DED工艺参数的数字化控制允许研究者在局部利用这两种相变，并调整微观结构，以创造一种灵感来自大马士革钢的新材料。大马士革钢的层状结构最初是由于反复折叠和锻造由硬钢和软钢组成的大复合材料而产生的，这给复合材料带来了优异的强度和延性。研究者利用这一概念，通过利用快速淬火、顺序原位加热和局部相变来制造层状微观结构，而不是通过折叠和锻造来生产类似马氏体的马氏体时效钢。

研究者专门设计了一种Fe19Ni5Ti (wt%)合金，以利用快速淬火和超前高温。通过调整了DED工艺参数，以调节制造过程中的时间温度分布，从而实现了对马氏体形成和析出的精确、局部控制，从而控制了机械行为。研究的材料具有1300MPa的抗拉强度和10%的延伸率，显示出比古大马士革钢更加优异的机械性能。这里所采用的原位沉淀强化和局部组织控制原理可广泛应用于沉淀硬化合金和不同添加剂的制造工艺。该方法避免了耗时和昂贵的后处理时效热处理，也提供了局部调整微观结构的可能性，这是传统热处理不可能做到的。