武科大张施琦教授顶刊丨热处理对激光选区熔化马氏体时效钢氢脆敏感性的影响机制

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近日，武汉科技大学耐火材料与冶金省部共建国家重点实验室的张施琦教授团队联合深圳大学研究学者在国际顶刊《Materials Science and Engineering: A》上发表了激光增材制造相关的最新研究成果 “Effect of heat treatment on the hydrogen embrittlement susceptibility of selective laser melted 18Ni-300 maraging steel”，研究了热处理对选区激光熔化18Ni-300马氏体时效钢氢脆(HE)敏感性的影响。

研究结果表明，制备的马氏体时效钢具有由Fe-Ni马氏体基体和多孔结构组成的微观结构。经过各种热处理工艺后，观察到微观结构发生显着变化，导致HE敏感性不同程度增加。具体而言，固溶处理后，胞状结构的完全消除和晶粒的长大同时提高了钢的氢扩散系数。然而，其较低比例的Σ3边界和较高比例的Σ11边界发挥了有利作用，导致HE敏感性略有增加。相比之下，直接时效和固溶时效处理显着提高了HE敏感性，这主要与胞状结构的分解以及新形成的Ni3(Ti,Mo)沉淀物的可逆氢捕获和沉淀强化作用有关。与固溶时效处理相比，直接时效处理会在熔池边界附近形成局部奥氏体聚集区，促进氢辅助裂纹的萌生并导致较高的HE敏感性。

本文研究亮点：

1）研究了热处理对SLMed马氏体时效钢HE的影响；

2）热处理改变了氢捕获的密度和位点；

3）溶液处理发挥双重作用并略微增加HE敏感性；

4）时效/固溶时效形成Ni3X相并破坏胞状结构，促进HE；

5）时效形成奥氏体聚集区，增加了附加裂纹风险。

图1. (a–d) 微观结构的光学显微镜图像和 (e–h) SEM 图像 (a, e) AB（as-built samples）、(b, f) DAT（direct aging treatment at 490 °C for 6 h）、(c, g) ST（solution treatment at 820 °C for 1 h）和 (d, h) ) SAT （solution treatment at 820 °C for 1 h, followed by aging at 490 °C for 6 h）钢

图2. (a) AB、(b) DAT、(c) ST 和 (d) SAT 钢的晶界分布图 (e) 晶界的体积分数

图3. 无氢和充氢 SLM 马氏体时效钢的工程应力-应变曲线 (a) AB、(b) DAT、(c) ST 和 (d) SAT

本文主要可以得到以下结论：

(1) SLMed18Ni-300马氏体时效钢的显微组织在热处理过程中发生了显着变化。固溶处理导致细胞结构完全分解和晶粒生长。直接时效过程中，胞状结构部分分解，形成高密度Ni3(Ti、Mo)析出物和少量回复奥氏体。在固溶时效钢中，胞状结构消失，观察到粗大晶粒和高密度析出物。

(2) 热处理不仅改变了氢捕获密度，还影响了钢中的氢捕获位点。固溶处理后，胞状结构诱导的氢陷阱消失，而晶粒/马氏体边界成为主要的氢陷阱，表现出更高的氢扩散系数。经过直接时效和固溶时效处理后，虽然胞状结构产生的氢陷阱数量减少，但析出诱导氢陷阱的密度增加，且后者较前者变化更大，导致显着的析出氢陷阱密度增加。氢扩散系数降低。

(3) 经过不同的热处理工艺后，钢的HE敏感性均有不同程度的增加。在固溶处理钢中，尽管胞状结构的分解和晶粒的生长增加了HE敏感性，但较低的Σ3晶界分数和较高的Σ11晶界分数发挥了有益的作用。因此，HE敏感性仅略有增加。

(4) 经过直接时效和固溶时效处理后，钢的HE敏感性显着增加。这归因于细胞结构的分解和具有可逆氢捕获特性的Ni3(Ti,Mo)沉淀物的形成。与固溶时效钢相比，直接时效钢在熔池边界附近诱发了局部奥氏体聚集区，有利于氢致裂纹的萌生和扩展，从而导致最高的HE敏感性。

引用: Zhou N, Zhang S, Ma C, et al. Effect of heat treatment on the hydrogen embrittlement susceptibility of selective laser melted 18Ni-300 maraging steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145622.

来源：增材制造硕博联盟