近日，海南大学研究团队在国际期刊《Materials Science & Engineering A》发表了题为《Microstructural evolution and mechanical properties of maraging steel by additive manufacturing》的研究成果。论文第一作者为海南大学李虎博士，通讯作者为中南大学刘咏教授。该研究采用激光粉末床熔合技术（LPBF）成功制备了一种具有良好打印性能的新型Fe-Ni-Mo-Ti-Al-Y马氏体时效钢。LPBF马氏体时效钢具有1600 MPa的抗拉强度，其主要原因是析出了纳米级Ni₃(Ti, Mo)析出相。通过透射电镜观察，发现了尺寸为~500 nm的胞状结构，这对材料的塑性变形有重要影响。研究表明，热处理导致钢的耐腐蚀性下降，这是由于析出相和位错的形成的缘故。然而，该合金的耐腐蚀性能与传统18Ni300马氏体时效钢相当。因此，LPBF无钴马氏体时效钢具有低成本和优异的力学性能，该合金的开发为增材制造高性能无钴马氏体时效钢的成分设计提供借鉴与参考。

论文链接：DOI: 10.1016/j.msea.2024.147201.

研究背景

马氏体时效钢由于其高强度、良好的韧性和焊接性能，广泛应用于航空航天、高端模具、海洋工程等工业领域。采用LPBF增材制造技术制造的零件表面精度高、成形质量好，在具有复杂结构的零件制造中具有广阔的应用前景。然而， LPBF马氏体时效钢有几个亟待解决的科学问题。这主要包括以下两个方面：1）在增材制造过程中，工艺参数不匹配将会产生的气孔、未熔粉等冶金缺陷将会导致零件的力学性能下降。2）激光逐层打印、反复加热和快速凝固的特点导致热应力和微裂纹的概率增加。因此，为了保证材料具有优异的力学性能，在无钴马氏体时效钢的成分设计中还应考虑析出相数量密度、可打印性和裂纹敏感性等重要因素。因此，要实现增材马氏体时效钢的商业化和广泛应用，就需要解决以上关键科学问题。本研究综合考虑了马氏体时效钢的可打印性、力学性能和原材料成本，采用LPBF技术制备了一种新型Fe-Ni-Mo-Ti-Al-Y无钴马氏体时效钢。通过微量Ti和Al代替Co，并进行后热处理调控和诱导形成半共格Ni₃(Ti, Mo)纳米级析出相，有效提高了LPBF马氏体时效钢的综合力学性能。本工作系统研究了不同热处理参数下LPBF马氏体时效钢的组织演变及其对力学性能的影响，确定了最佳工艺窗口，建立了析出相与强度之间的关系。最后，评价了LPBF马氏体时效钢的耐腐蚀性能及应用潜力。

研究结果

图1 （a, b）马氏体时效钢粉的低倍和高倍SEM图像。(c)粒径分布和累积粒径分布。(d) LPBF打印样品的数码照片。

图2 不同参数下LPBF马氏体时效钢的光学显微照片。（a-d）激光功率范围为210 ~ 240 W；（e-h）扫描速度范围为900 ~ 1200 mm /s。（i- 1）打印间距范围为70 ~ 110 μm。

图3 (a) LPBF马氏体时效钢的硬度、密度和孔隙率分别随激光功率、（b）打印间距和（c）扫描速度的变化曲线。(d) LPBF马氏体时效钢的硬度和密度与能量密度(E)的变化关系。

图4（a-c）打印态样品的金相显微照片（OM）和扫描电镜（SEM）的低倍和高倍率图像；（d-f） HT-A样品的OM和SEM的低倍和高倍率图像；（g-i） HT-SA样品的OM和SEM的低倍和高倍率图像。

图5 (a)打印状态下LPBF马氏体时效钢的SEM图像。（b-g）是 (a)中矩形框对应的EPMA元素分布图。

图6（a，b和c）为打印样品的EBSD反极图、相图和晶界图，(c)中插图为晶粒尺寸分布；（d，e和f） HT-A样品的EBSD反极图、相图和晶界图，(f)中的插图显示了晶粒尺寸分布。（g, h）打印样品的极图（PF）。（i, j） HT-A样品的PF。

图7 不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的XRD谱图。

图8 (a)不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的工程应变-应力曲线。(b)不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的洛氏硬度。

图9 (a)不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的极化曲线。(b) Nyquist图。(c) Bode图。(d)实验数据的拟合等效电路图。

图10 不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的TEM图像：(a)打印态；(b) HT-S状态；(c) HT-A状态；(d) HT-SA状态。

图11（a, b） HT-A样品的低、高倍TEM图像。(c)是 (a)中HT-A样品的SAED示意图。(d) HT-SA样品的高倍TEM，表明在马氏体基体中形成了反转奥氏体和纳米析出相。

图12 不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢组织演变示意图。底部一行对应于顶部一行的放大图。

结论

本研究采用LPBF制备了一种新型无钴Fe-Ni-Mo-Ti-Al-Y马氏体时效钢，并系统研究了不同热处理条件下LPBF马氏体时效钢的组织演变及其与力学性能的关系。在较宽的增材制造工艺窗口下，打印件内部无微裂纹缺陷，展现出良好的可打印性能。研究发现，LPBF制备的马氏体时效钢具有高强度，主要可归因于纳米级Ni₃(Ti, Mo)析出物在马氏体基体中的形成。然而，析出相的形成导致马氏体时效钢的耐蚀性有所下降。但值得注意的是，该无钴马氏体时效钢的耐腐蚀性能与传统18Ni300相近，显示出在增材制造高端模具领域的应用潜力。因此，本研究为开发高性能、低成本的无钴马氏体时效钢提供了重要参考，也为增材制造材料的成分设计和性能优化提供了新的思路。