增材頂刊：首次發現！氮保護氣可改善增材製造不鏽鋼抗疲勞性能

導讀：長期以來一直在爭論使用適當的保護氣體用於的17-4沉澱硬化（PH）不鏽鋼（SS）的增材製造。儘管通常需要Ar作為保護氣體，以防止不必要的化學反應，但Ar的低溶解度與熔池的劇烈特性相結合，不可避免地會導致形成有害於合金疲勞性能的缺陷。儘管N2與某些合金（例如鈦）起反應，但可能會對17-4 PH SS的機械性能和疲勞性能產生顯著的有利影響。本文展示了N2作為LB-PBF 17-4 PH 不鏽鋼過程中微結構/缺陷結構細化劑的有利作用，證明了其增強機械/疲勞性能的作用。與Ar相比，使用N2保護氣體會引起更多的殘餘奧氏體、細化晶粒、使熔池更深、產生越來越少的孔，因此，在高循環狀態下，輕微地提高了拉伸性能，適度地提高了裂紋擴展阻力，並顯著地提高了軸向疲勞性能。

Fe-17Cr-4Ni-4Cu沉澱硬化不鏽鋼（SS）通常被稱為17−4 PH SS，是一種馬氏體硬化SS，具有高強度，延展性，疲勞強度，斷裂韌性和高的耐腐蝕性。這種具有低成本的SS通常可用於關鍵工程、國防和能源領域。在需要製造具有更複雜幾何形狀的近淨形零件的應用中，增材製造（AM）優於傳統的減法製造技術。因此，行業內強烈鼓勵在製造17-4 PH SS零件時採用增材製造，以進一步受益於該材料的吸引力。

典型的AM工藝所固有的重複的熔化-凝固循環導致缺陷含量升高，組織複雜，難以修復和預測。缺陷會引起應力上升並損害機械性能，尤其是在疲勞關鍵型應用中。此類缺陷包括氣體包裹的孔洞和熔合不足缺陷，以及表面粗糙度，會嚴重影響製造的（AM）零件在其建成表面狀態下的疲勞性能。此外，在缺陷形態和分布以及周圍組織的變性，加劇的AM疲勞性能的不確定性。雖然製造高密度部件以消除缺陷的發生是可取的，但這些缺陷可能是AM工藝固有的，即使在最優的操作條件下也會持續存在。鑑於這種必然性，建立過程-結構-性能-關係是加速AM 17-4 PH SS的必要條件。與所有AM金屬材料一樣，AM 17-4 PH SS的微觀結構和缺陷特徵（控制其機械性能）由凝固動力學和熱惹條件決定。

與Ar相比， N2具有更高的導熱係數(~ 40%)和摩爾熱容量(50%)。假設N2和Ar氣體的流速相同，一方面，這使得熔池和N2保護氣體之間的對流換熱更有效，冷卻速率更高。另一方面，N2的這種性質有利於熱從金屬柱轉移到保護氣體，然後保護氣體將吸收的能量釋放到周圍表面。因此，氮氣保護氣體可以導致更高的雷射能量吸收，從而形成更大的熔池，更好地重疊後續層中的熔池以及層內鄰近軌道，減少LoF缺陷的形成趨勢。

在LB-PBF過程中，N2氣體與熔融金屬中的Cr發生反應，形成CrN納米析出物，對晶粒生長具有很強的抑制作用。這些納米析出物也可以作為固相在凝固過程中的非均勻成核位點。因此，N2氣氛下製備的fe - pbf 17-4 PH SS試樣的微觀結構預期比Ar條件下的更細小。

鑑於上述事實，N2保護氣可能是LB-PBF 17-4 PH SS的候選物，以實現對組織和缺陷的過程細化，不僅帶來更好的靜態機械性能，而且還增強了疲勞性能。本研究試圖通過使用N2保護氣替代Ar 來實現LB-PBF 17-4 PH SS的組織和缺陷的細化，並由此證明增強疲勞性能。闡明保護氣體類型N2與Ar的關係對微觀結構、孔隙狀態、熔池幾何形狀的影響，以及它們對LB-PBF 17-4 PH SS疲勞性能的結果。這是首次證明保護氣體類型對LB-PBF 17-4 PH SS的疲勞裂紋萌生和生長行為的影響。相關研究結果以題「Improved high cycle fatigue performance of additively manufactured 17-4 PH stainless steel via in-process refining micro-/defect-structure」發表在增材製造頂刊《Additive Manufacturing》上。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101604

這項研究表明，通過使用N2保護氣替代Ar 進行過程中的微結構和缺陷的細化，可以改善LB-PBF 17-4 PH SS的疲勞性能。與在Ar保護氣體下製備的樣品相比，使用N 2作為保護氣體可導致更精細的微觀結構，其中包含更多的殘留奧氏體。這歸因於N 2在17-4 PH SS中的高溶解度及其奧氏體穩定能力。在N2試樣的微觀結構中靠近夾帶的氣孔處觀察到的細等軸晶粒的孤島，證明了N2擴散到熔池並阻止晶粒生長的事實。

圖1 （a）圓形軸向疲勞試樣（b）（CT）試樣的圖紙

圖2。軸向疲勞試樣的示意圖以及平行於構建方向的橫截面以進行微觀結構表徵，NHT LB-PBF 17-4 PH SS試樣的EBSD結果：（a），（c），（ e）IPF NHT-N2和（b），（d），（f）IPF NHT-Ar。

圖3 熱處理的LB-PBF 17-4 PH SS樣品在平行於構建方向的橫截面上的IPF圖：（a）HT-N 2和（b）HT-Ar

圖4。熔池尺寸測量；該示意圖顯示了具有雷射軌跡方向的最後一個列印層。（a）NHT-N 2標本中的熔池形狀/大小，（b）NHT-Ar標本中的熔池形狀/大小，以及（c）測量的熔池深度和重疊深度

圖5。對於（a）NHT-N 2和（b）NHT-Ar標本，平行於構建方向的橫截面中的孔隙率分布。（c）預製棒和（d）機加工試樣的應變計截面中NHT-N 2和NHT-Ar試樣的孔徑的統計分布。（a）和（b）中的陰影區域表示通過機械加工去除了所有拉伸和軸向疲勞試樣的部分。

在N2保護的樣品中形成的孔在尺寸和總體上都較小。這是因為N2氣孔可能被熔池吸收並溶解在使孔收縮的材料中，N2保護的樣品具有比Ar保護的樣品更高的屈服強度和延展性（對於非熱處理條件和熱處理條件）。較高的延展性可歸因於較低的內部缺陷以及殘餘奧氏體的存在，而較高的屈服強度歸因於N2試樣的細等軸晶粒

圖6 在NHT和HT條件下在Ar和N 2保護氣下製造的LB-PBF 17-4 PH SS樣品的單調拉伸行為：（a）應變控制到0.045應變，和（b）除去引伸計後進行位移控制直至斷裂

與HT-Ar相比，HT-N2樣品中較細的板條馬氏體降低了材料應變硬化的可能性，並導致較低的真實斷裂應力。當使用N2作為保護氣時，低循環疲勞中LB-PBF 17-4 PH SS的軸向疲勞性能適度提高，而在高循環疲勞中則顯著提高。在N2保護氣體下製造的LB-PBF 17-4 PH SS的耐疲勞性的提高歸因於微結構/缺陷結構的細化。

圖7 在熱處理條件下在N2和Ar保護氣下製造的LB-PBF 17-4 PH SS試樣的疲勞裂紋擴展（FCG）速率（CA-H1025）。在（b），（c）和（d）中分別放大並顯示了三種不同的FCG機制

圖8。LB-PBF 17-4 PH SS樣品的完全反向，應變控制的恆定振幅疲勞測試的穩定磁滯回線：（a）HT-N2和（b）HT-Ar

圖9 (a)CA-H1025 LB-PBF 17-4 PH SS的應變壽命和應力壽命疲勞數據(N2, vs A)

與使用Ar為氣體的條件相比，使用N2作為保護氣在ΔK範圍很寬的範圍內（包括近閾值和巴黎條件）導致LB-PBF 17-4 PH SS的FCG速率較低。這可以歸因於晶粒細化（即細等軸晶粒的島）效應。Ar樣品具有較低的循環斷裂韌性，這是由於樣品中的孔越來越大。

圖10。LB-PBF 17-4 PH SS的電子通道對比度圖像（ECCI）顯示了（a）HT-N 2和（b）HT-Ar標本中的板條馬氏體。注意，黃色虛線箭頭代表板條馬氏體的厚度。白色顆粒是拋光化合物的殘留物，不是17-4 PH SS中的任何第二相。

圖11。HT-Ar試樣在0.0025 mm / mm應變振幅下的斷裂面：（a）試樣「 Ar3」具有2,496,340的破壞；（b）試樣「 Ar4」具有1,394,730的破壞，以及（c）試樣「 Ar11」 690,584破壞

圖12。氮氣保護氣體下製備的LB-PBF 17-4 PH SS試樣的斷口表面試件「N2」在0.0025 mm/mm應變幅值下發生10,825,018次逆轉破壞

圖13。在不同保護氣體類型下製造並使用CA-H1025程序熱處理的LB-PBF 17-4 PH SS CT標本的分形圖：（a）HT-N 2和（b）HT-Ar。鋸齒狀特徵由雙面黃色箭頭表示，裸露的孔由黃色箭頭表示。示意圖表示板條馬氏體以及裂紋如何以晶間和晶內模式擴展。