【背景导读】
马氏体不锈钢因其高强度、高硬度和优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于医疗设备、船舶零件和核电部件等领域。然而，传统的铸造和锻造技术在生产过程中存在生产周期长、材料浪费高、成本增加以及难以实现复杂几何形状等问题。此外，其体心四方（BCT）晶体结构虽然强度高但会带来一定的脆性，限制了其综合机械性能的提升。增材制造技术尤其是选择性激光熔化（SLM）技术，通过逐层制造提供了更高的设计自由度，能生产复杂形状，减少材料浪费并缩短生产周期。然而，SLM快速熔化和冷却的过程容易引发裂纹和孔隙等结构缺陷，从而影响了部件的质量。因此，亟需开发新型的后处理工艺以实现缺陷消除和机械性能的提升。
【成果掠影】
中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队和太原理工大学材料科学与工程学院合作培养的硕士研究生冯贺洋，在宁波材料所高萌研究员、霍军涛研究员、王军强研究员、燕山大学张树志教授以及太原理工大学侯赵平副教授的共同指导下，提出一种新型的高压退火（HPA）策略，利用GPa级别的压力成功诱导了以粗-细晶为代表的异质结构，显著提高了SLM 420不锈钢的机械性能，并成功消除了SLM 420不锈钢中的结构缺陷。研究成果以“Eliminating metallurgical defects and achieving strength-ductility combination in selective laser melted martensitic stainless steel through high-pressure annealing” 为题，发表在Materials Characterization 216 (2024): 114271上。
【核心创新点】
SLM的出现，标志着高性能金属合金制备技术的发展迈出了革命性的一步，但是其受到裂纹、孔隙和各向异性等缺陷的阻碍，限制了3D打印部件的机械强度，并可能导致部件在服役过程中的灾难性失效。因此，热等静压(HIP)等后处理方法被开发出来，用于减轻这些缺陷。然而，HIP等方法也面临着组件软化和缺陷消除不全等各方面的局限性。与传统工艺不同的是，本研究首次使用叶腊石作为压力传递介质用于SLM 420钢的HPA处理，使得HPA过程中的压力可以远高于HIP处理工艺，避免了由于组织粗化造成的组件机械性能变差的现象。另外，HPA工艺避免了HIP工艺中高压气体残留的问题，提供了更为稳定的缺陷消除方案。本研究对于SLM 420钢在高温高压条件下的组织演变和强韧化机理进行了详细的解释。
【成果启示】
我们的研究表明，高压退火处理可以有效地减轻通过SLM生产的AISI 420不锈钢的结构缺陷，并可以产生均匀的碳化物沉淀、晶粒细化和纳米级异质结构，使屈服强度提高43%。经过处理的SLM 420钢保留了与打印态SLM 420钢相当的塑性应变，表明这种处理避开了强度和韧性之间的平衡困境。本研究不仅阐明了HPA诱导强化的物理机制，而且为其他3D打印金属材料的强韧化处理提供了一种潜在的普适化策略。在生产航空航天、汽车和医疗器械等行业使用的高性能合金部件时，这种后处理方法的实施能够制造出更可靠、更耐用的组件，从而提高这些行业产品的性能和安全性。
致谢：本工作得到了国家自然科学基金项目，宁波市甬江引才青年创新人才项目，中国科学院青年创新促进会项目，浙江省自然科学基金项目，浙江省自然科学基金与衢州市区域创新发展联合基金项目的支持。
Fig.1 SLM 420不锈钢样品的制备方法和HPA工艺流程
Fig.2 不同处理状态下的420不锈钢样品的室温应力应变曲线以及与其他处理工艺的效果比较
Fig.3 不同处理状态下的420不锈钢样品的缺陷分布情况
Fig.4 HPA样品粗-细晶异质结构的微观形貌
Fig.5 变形后HPA样品的微观形貌以及强韧化机制
Fig.6 HPA诱导420不锈钢产生粗-细晶异质结构的物理机制
（冯贺洋）