大馬士革鋼是制作刀劍的頂級用鋼。在鑄造成刀劍時表面會有一種特殊的花紋－－－穆罕默德紋，屬于花紋鋼中的鑄造型花紋鋼，區(qū)別于折疊鍛打形成的焊接型花紋鋼。因為花紋能夠使刀刃在微觀上形成鋸齒，使得刀劍更加鋒利。

最新一期Nature，作者提供了一種更高強度的大馬士革鋼。激光增材制造（LAM）的零件會經(jīng)歷一個特定的熱歷史，首先是從液態(tài)快速淬火，然后進行固有熱處理（IHT），即由大量低溫度峰值組成的循環(huán)再加熱。在定向能量沉積（DED）中，IHT很明顯，因此提供了局部調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的機會。然而，新材料必須是量身定制的，以最好地利用這些特殊條件，因為傳統(tǒng)的合金成分不能被期望有效地發(fā)揮作用，因為它們已經(jīng)被優(yōu)化為其他加工路線，例如鑄造或鍛造。

最近發(fā)現(xiàn)IHT可以觸發(fā)鐵-鎳-鋁（Fe-Ni-Al）合金中的鎳鋁（NiAl）沉淀，這種所謂的馬氏時效鋼的性能來自兩個重要的相變。最初，通過奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火形成了富鎳的軟馬氏體顯微組織，該馬氏體隨后通過第二次相變硬化，形成金屬間納米沉淀物。因此，常規(guī)生產(chǎn)以及LAM生產(chǎn)的商業(yè)馬氏體時效鋼（例如18Ni-300）都需要進行昂貴的時效處理，以形成增強性能的金屬間沉淀物。鐵-鎳-鈦（Fe-Ni-Ti）合金系統(tǒng)顯示出極快的Ni3Ti沉淀析出動力學(xué)，這使它們非常適合利用IHT期間的低溫度峰進行原位沉淀硬化。

DED工藝參數(shù)的數(shù)字控制使我們能夠利用這兩個相變并調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建一種受大馬士革鋼啟發(fā)的新材料。大馬士革鋼的層狀結(jié)構(gòu)最初是由于反復(fù)折疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的大復(fù)合材料而產(chǎn)生的，它給復(fù)合材料帶來了優(yōu)異的強度和延展性。作者利用這一概念來制造大馬士革狀的馬氏體時效鋼，不是通過折疊和鍛造，而是通過利用快速淬火、連續(xù)原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結(jié)構(gòu)。作者專門設(shè)計了Fe19Ni5Ti合金來利用DED的快速淬火和IHT的性質(zhì)，調(diào)整了DED工藝參數(shù)，以調(diào)節(jié)制造過程中的時間-溫度曲線，從而可以精確、局部地控制馬氏體的形成，析出以及機械行為。此方法避免了費時且昂貴工藝后時效熱處理，并且還提供了局部微調(diào)微觀結(jié)構(gòu)的可能性，這是常規(guī)熱處理無法實現(xiàn)的。

PhilippKürnsteiner等人利用定向能量沉積固有的高冷卻速率和循環(huán)再加熱（即所謂的固有熱處理），對加工參數(shù)進行數(shù)字控制，從而對所得合金的微觀結(jié)構(gòu)進行控制。他們發(fā)現(xiàn)這種固有的熱處理可以在激光增材制造鐵鎳鋁合金過程中觸發(fā)鎳鋁沉淀。他們以專為激光增材制造設(shè)計的Fe19Ni5Ti（用預(yù)合金Fe20Ni粉末與商業(yè)純Ti粉末混合得到）鋼為例，在制造過程中對納米沉淀和馬氏體相變的局部控制導(dǎo)致了橫跨多個長度尺度的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)層次，從大約100微米厚的層到納米級的沉淀物。生產(chǎn)出了一種由軟硬質(zhì)層交替組成的材料，該材料具有1300MPa的抗拉強度和10％的伸長率，顯示出比古代大馬士革鋼更好的機械性能。這里使用的原位沉淀強化和局部微觀結(jié)構(gòu)控制原理可應(yīng)用于各種沉淀硬化合金和不同的增材制造工藝。

圖1增材制造Fe19Ni5Ti試樣：（a）DED過程的示意圖

我們通過直接能量沉積法（DED）制備了Fe19Ni5Ti馬氏體時效鋼時使用計算機控制沉積路徑，包括在沉積四層后暫停120秒的。在暫停期間，關(guān)閉激光并冷卻樣品，停頓在每個塊的頂部形成暗帶，該暗帶不停地連續(xù)沉積。疊加的硬度曲線顯示，暗帶比中間的四層塊硬度約高100 HV。這些暗帶，以毫米-厘米的長度為單位，代表了我們在圖1c中繪制的大馬士革鋼的分級微觀結(jié)構(gòu)的最粗糙的組成部分。

圖2不同長度尺度的微觀結(jié)構(gòu)表征（硬區(qū)域/帶用藍色虛線標記）

圖2顯示了由LAM生產(chǎn)的馬氏體時效鋼的典型顯微組織，它由鎳馬氏體基體組成，殘余奧氏體出現(xiàn)在枝晶間區(qū)域，因為枝晶間區(qū)域富含溶質(zhì)，所以奧氏體穩(wěn)定。電子背散射衍射（EBSD）表明，硬帶和較軟區(qū)域都具有相似的奧氏體分數(shù)和馬氏體形態(tài)（圖2a）。元素映射揭示了兩種不同長度尺度上Ti分布的不均勻性（圖2b，c）：（1）在熔體流動（Marangoni對流）過程中，預(yù)合金Fe20Ni粉末與Ti粉末的不完全混合導(dǎo)致鈦富集區(qū)的尺寸只有幾百微米，這些混合不均勻性對總相分數(shù)沒有影響；（2）鈦在凝固過程中向偏析區(qū)的微偏析導(dǎo)致微米級的區(qū)域富含鈦。圖2b顯示，硬區(qū)域和軟區(qū)域之間合金元素的分布或濃度沒有明顯差異。圖2c說明了Ti和Ni微偏析在穩(wěn)定奧氏體中的作用，帶有EBSD圖的電子顯微照片表明，光滑、較暗的外觀區(qū)域是奧氏體。由于表面粗糙，馬氏體發(fā)出更多的二次電子，因此顯得更亮。元素映射表明，枝晶間奧氏體富集了Ti和Ni，這是違反直覺的，因為通常將Ti歸類為鋼中的鐵素體穩(wěn)定元素。但是，我們使用相圖計算（CALPHAD）模擬計算了馬氏體形成的驅(qū)動力，這表明Ti富集降低了奧氏體和馬氏體之間的吉布斯能量差。因此，在該合金中，Ti用作奧氏體穩(wěn)定劑。由DED期間的快速冷卻產(chǎn)生的這些樹枝狀和樹枝狀區(qū)域代表了圖1c中所示的分層微觀結(jié)構(gòu)的中間組成部分。

圖3軟質(zhì)區(qū)和硬質(zhì)區(qū)馬氏體和奧氏體的APT分析

圖3a,b顯示了通過原子探針層析成像（APT）重建的材料和軟區(qū)奧氏體和馬氏體的5微米厚的薄片。僅顯示Ti原子，并且它們出現(xiàn)在兩個相中隨機分布。然而，在硬區(qū)域，馬氏體中出現(xiàn)了高密度的沉淀物（圖3c），發(fā)生了兩個連續(xù)的相變：第一，奧氏體-馬氏體相變；第二，馬氏體內(nèi)部的沉淀。沉淀僅在馬氏體中發(fā)生，因為合金元素在奧氏體中的溶解度更高。對多個APT數(shù)據(jù)集進行平均，確定的沉淀物體積分數(shù)為3.50±0.51％。

圖3d中，在Ti原子圖中沉淀物由一組包含區(qū)域（含10％以上的Ti）（深綠色）的同位素組成表面突出顯示。單板狀沉淀物的成分分布圖表明該成分與η型Ni3Ti相容。這些η相析出物代表在我們的大馬士革狀鋼的設(shè)計中選擇的預(yù)期析出相，它們是最小的微觀結(jié)構(gòu)成分（圖1c）。

圖4 Fe19Ni5Ti鋼試樣的拉伸性能

為了探究數(shù)字化設(shè)計的大馬士革狀微結(jié)構(gòu)的拉伸性能，分別制備了沒有任何暫停（無沉淀）的樣品以及每層后暫停時間為90秒的樣品。后一種大馬士革型鋼具有分層結(jié)構(gòu)，每個DED層均具有暗帶。由于在每層之后引入了暫停，而不是像以前的示例那樣在每第四層之后引入了暫停，因此暫停時間更短。圖4中的拉伸曲線顯示出屈服強度和極限抗拉強度顯著增加了大約200 MPa。有趣的是，經(jīng)沉淀硬化的分層試樣不僅強度增加，延伸率也增加。

作者通過使用與分層制造技術(shù)相關(guān)聯(lián)的IHT序列的數(shù)字控制，通過增材制造可以直接原位合成分層結(jié)構(gòu)的大馬士革狀金屬復(fù)合材料。通過控制交替層之間的暫停，作者構(gòu)建了具有優(yōu)異機械性能（1300 MPa和10％伸長率）的復(fù)合微結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)由介觀的軟區(qū)域（即沒有納米沉淀）和硬區(qū)域組成，其中的硬區(qū)域包含大量納米級沉淀。這些析出物在馬氏體轉(zhuǎn)變后的IHT過程中形成，這本身是由停頓所提供的冷卻引起的。通過專門設(shè)計用于LAM的Fe19Ni5Ti合金來實現(xiàn)此成就，該合金允許我們調(diào)整馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度并在此過程中進行析出。

在這里，我們選擇改變各層之間的暫停時間，因為它對溫度的影響非常直觀且可測量的，可以通過對工藝參數(shù)（例如激光功率，掃描速度，外部加熱和冷卻等）或其組合來控制局部樣品溫度，這使得此處介紹的方法適用于廣泛的增材制造過程。此外，利用IHT進行原位淬火可以擴展到其他沉淀硬化合金，局部調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的機會為制造業(yè)提供了新的可能性。舉個例子，我們可以制造出內(nèi)部柔軟堅硬的工具，并且僅對外表皮進行沉淀硬化處理，而無需進行涂層處理或表面硬化處理。

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