基于胞壁结构设计的增材制造含铝超高强度奥氏体不锈钢

【作者】 汪小培； 柴俊； 杨志刚； 陈浩；

【机构】 清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室；

【摘要】 为了减少能源消耗,提高作业效率和延长服役时间,船舶和海洋工程领域对轻量化结构材料有强烈的需求。高强度钢作为结构部件材料被广泛应用于海洋装备中,而通过降低超高强度钢的密度,这些结构部件的质量能够被进一步降低。Al是典型的轻量化合金元素,通过添加1%质量分数的Al,钢的密度可以降低1.3%。然而,传统的含高Al的低密度钢不仅冶炼困难、成形性和焊接性差,并且其成分体系也不适应于极端环境。激光增材制造是一种先进的增材制造技术,它通过直接熔化合金粉末来制造金属部件。基于近净成形的特征,增材制造技术能够直接克服传统加工制造方式的不足,为高铝钢的制备提供了一种新的方法。本课题选择的研究对象是奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢因其良好的宽温域性能,在船舶和海洋工程等极端服役领域具有广泛的应用前景。传统的奥氏体不锈钢强度较低,析出强化是其主要的强化方式,如添加Laves相、M23C6等。然而,这些强化相趋向于在晶界形成,会增加晶界开裂的倾向。同时,高温服役时易粗化,从而降低服役性能。本课题通过在奥氏体钢中添加Al元素,基于激光增材制造的特点,通过胞壁结构在奥氏体晶粒内引入高密度的非共格相和共格相,从而制备出在宽温域内具有超高强度的含铝奥氏体不锈钢。本课题系统研究了含铝超高强度奥氏体不锈钢的组织特点、力学性能和变形机制,揭示了多纳米析出相结构的形成机理、多纳米析出相的强化机制,以及Laves相的高温热稳定性机制。主要研究结果如下:(1)发展了增材制造超高强度奥氏体不锈钢,其在从室温到高温的宽温域区间都具有优异的力学性能。这主要归因于在奥氏体晶粒内形成的高密度的非共格相和共格相的协同析出强化作用。其中,在晶内的胞壁上形成了Laves相、B2相和富Cr的α?相的共析出,而在胞内形成了细小共格的L12相。(2)胞壁结构为Laves相提供了大量的形核位点,使得在奥氏体晶粒内形成了大量的高密度的Laves相。随后,B2相和富Cr的α?相相继在Laves相周围形成,进一步增加了晶内非共格相的密度,提升了对基体的强化效果。此外,在长期高温时效下,Laves相、B2相和富Cr的α?相所形成的三明治结构能够有效地抑制Laves相的粗化。(3)在室温下,非共格和共格析出相均能显著强化基体。在高温下,高密度的非共格析出相通过与位错和纳米层错的相互作用,仍能显著提升基体的强度。(4)激光增材制造独特的胞壁结构为非共格和共格多纳米析出相的设计与调控提供了一条新的途径。本课题的设计理念在其他高性能增材制造合金的制备中也具备很大的应用潜力。更多还原