增材顶刊：首次发现！氮保护气可改善增材制造不锈钢抗疲劳性能！

导读：长期以来一直在争论使用适当的保护气体用于的17-4沉淀硬化（PH）不锈钢（SS）的增材制造。尽管通常需要Ar作为保护气体，以防止不必要的化学反应，但Ar的低溶解度与熔池的剧烈特性相结合，不可避免地会导致形成有害于合金疲劳性能的缺陷。尽管N2与某些合金（例如钛）起反应，但可能会对17-4 PH SS的机械性能和疲劳性能产生显着的有利影响。本文展示了N2作为LB-PBF 17-4 PH 不锈钢过程中微结构/缺陷结构细化剂的有利作用，证明了其增强机械/疲劳性能的作用。与Ar相比，使用N2保护气体会引起更多的残余奥氏体、细化晶粒、使熔池更深、产生越来越少的孔，因此，在高循环状态下，轻微地提高了拉伸性能，适度地提高了裂纹扩展阻力，并显著地提高了轴向疲劳性能。

Fe-17Cr-4Ni-4Cu沉淀硬化不锈钢（SS）通常被称为174 PH SS，是一种马氏体硬化SS，具有高强度，延展性，疲劳强度，断裂韧性和高的耐腐蚀性。这种具有低成本的SS通常可用于关键工程、国防和能源领域。在需要制造具有更复杂几何形状的近净形零件的应用中，增材制造（AM）优于传统的减法制造技术。因此，行业内强烈鼓励在制造17-4 PH SS零件时采用增材制造，以进一步受益于该材料的吸引力。

典型的AM工艺所固有的重复的熔化-凝固循环导致缺陷含量升高，组织复杂，难以修复和预测。缺陷会引起应力上升并损害机械性能，尤其是在疲劳关键型应用中。此类缺陷包括气体包裹的孔洞和熔合不足缺陷，以及表面粗糙度，会严重影响制造的（AM）零件在其建成表面状态下的疲劳性能。此外，在缺陷形态和分布以及周围组织的变性，加剧的AM疲劳性能的不确定性。虽然制造高密度部件以消除缺陷的发生是可取的，但这些缺陷可能是AM工艺固有的，即使在最优的操作条件下也会持续存在。鉴于这种必然性，建立过程-结构-性能-关系是加速AM 17-4 PH SS的必要条件。与所有AM金属材料一样，AM 17-4 PH SS的微观结构和缺陷特征（控制其机械性能）由凝固动力学和热惹条件决定。

与Ar相比， N2具有更高的导热系数(~ 40%)和摩尔热容量(50%)。假设N2和Ar气体的流速相同，一方面，这使得熔池和N2保护气体之间的对流换热更有效，冷却速率更高。另一方面，N2的这种性质有利于热从金属柱转移到保护气体，然后保护气体将吸收的能量释放到周围表面。因此，氮气保护气体可以导致更高的激光能量吸收，从而形成更大的熔池，更好地重叠后续层中的熔池以及层内邻近轨道，减少LoF缺陷的形成趋势。

在LB-PBF过程中，N2气体与熔融金属中的Cr发生反应，形成CrN纳米析出物，对晶粒生长具有很强的抑制作用。这些纳米析出物也可以作为固相在凝固过程中的非均匀成核位点。因此，N2气氛下制备的fe - pbf 17-4 PH SS试样的微观结构预期比Ar条件下的更细小。

鉴于上述事实，N2保护气可能是LB-PBF 17-4 PH SS的候选物，以实现对组织和缺陷的过程细化，不仅带来更好的静态机械性能，而且还增强了疲劳性能。本研究试图通过使用N2保护气替代Ar 来实现LB-PBF 17-4 PH SS的组织和缺陷的细化，并由此证明增强疲劳性能。阐明保护气体类型N2与Ar的关系对微观结构、孔隙状态、熔池几何形状的影响，以及它们对LB-PBF 17-4 PH SS疲劳性能的结果。这是首次证明保护气体类型对LB-PBF 17-4 PH SS的疲劳裂纹萌生和生长行为的影响。相关研究结果以题“Improved high cycle fatigue performance of additively manufactured 17-4 PH stainless steel via in-process refining micro-/defect-structure”发表在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101604

这项研究表明，通过使用N2保护气替代Ar 进行过程中的微结构和缺陷的细化，可以改善LB-PBF 17-4 PH SS的疲劳性能。与在Ar保护气体下制备的样品相比，使用N 2作为保护气体可导致更精细的微观结构，其中包含更多的残留奥氏体。这归因于N 2在17-4 PH SS中的高溶解度及其奥氏体稳定能力。在N2试样的微观结构中靠近夹带的气孔处观察到的细等轴晶粒的孤岛，证明了N2扩散到熔池并阻止晶粒生长的事实。

图1 （a）圆形轴向疲劳试样（b）（CT）试样的图纸

图2。轴向疲劳试样的示意图以及平行于构建方向的横截面以进行微观结构表征，NHT LB-PBF 17-4 PH SS试样的EBSD结果：（a），（c），（ e）IPF NHT-N2和（b），（d），（f）IPF NHT-Ar。

图3 热处理的LB-PBF 17-4 PH SS样品在平行于构建方向的横截面上的IPF图：（a）HT-N 2和（b）HT-Ar

图4。熔池尺寸测量；该示意图显示了具有激光轨迹方向的最后一个打印层。（a）NHT-N 2标本中的熔池形状/大小，（b）NHT-Ar标本中的熔池形状/大小，以及（c）测量的熔池深度和重叠深度

图5。对于（a）NHT-N 2和（b）NHT-Ar标本，平行于构建方向的横截面中的孔隙率分布。（c）预制棒和（d）机加工试样的应变计截面中NHT-N 2和NHT-Ar试样的孔径的统计分布。（a）和（b）中的阴影区域表示通过机械加工去除了所有拉伸和轴向疲劳试样的部分。

在N2保护的样品中形成的孔在尺寸和总体上都较小。这是因为N2气孔可能被熔池吸收并溶解在使孔收缩的材料中，N2保护的样品具有比Ar保护的样品更高的屈服强度和延展性（对于非热处理条件和热处理条件）。较高的延展性可归因于较低的内部缺陷以及残余奥氏体的存在，而较高的屈服强度归因于N2试样的细等轴晶粒

图6 在NHT和HT条件下在Ar和N 2保护气下制造的LB-PBF 17-4 PH SS样品的单调拉伸行为：（a）应变控制到0.045应变，和（b）除去引伸计后进行位移控制直至断裂

与HT-Ar相比，HT-N2样品中较细的板条马氏体降低了材料应变硬化的可能性，并导致较低的真实断裂应力。当使用N2作为保护气时，低循环疲劳中LB-PBF 17-4 PH SS的轴向疲劳性能适度提高，而在高循环疲劳中则显着提高。在N2保护气体下制造的LB-PBF 17-4 PH SS的耐疲劳性的提高归因于微结构/缺陷结构的细化。

图7 在热处理条件下在N2和Ar保护气下制造的LB-PBF 17-4 PH SS试样的疲劳裂纹扩展（FCG）速率（CA-H1025）。在（b），（c）和（d）中分别放大并显示了三种不同的FCG机制

图8。LB-PBF 17-4 PH SS样品的完全反向，应变控制的恒定振幅疲劳测试的稳定磁滞回线：（a）HT-N2和（b）HT-Ar

图9 (a)CA-H1025 LB-PBF 17-4 PH SS的应变寿命和应力寿命疲劳数据(N2, vs A)

与使用Ar为气体的条件相比，使用N2作为保护气在ΔK范围很宽的范围内（包括近阈值和巴黎条件）导致LB-PBF 17-4 PH SS的FCG速率较低。这可以归因于晶粒细化（即细等轴晶粒的岛）效应。Ar样品具有较低的循环断裂韧性，这是由于样品中的孔越来越大。

图10。LB-PBF 17-4 PH SS的电子通道对比度图像（ECCI）显示了（a）HT-N 2和（b）HT-Ar标本中的板条马氏体。注意，黄色虚线箭头代表板条马氏体的厚度。白色颗粒是抛光化合物的残留物，不是17-4 PH SS中的任何第二相。

图11。HT-Ar试样在0.0025 mm / mm应变振幅下的断裂面：（a）试样“ Ar3”具有2,496,340的破坏；（b）试样“ Ar4”具有1,394,730的破坏，以及（c）试样“ Ar11” 690,584破坏

图12。氮气保护气体下制备的LB-PBF 17-4 PH SS试样的断口表面试件“N2”在0.0025 mm/mm应变幅值下发生10,825,018次逆转破坏

图13。在不同保护气体类型下制造并使用CA-H1025程序热处理的LB-PBF 17-4 PH SS CT标本的分形图：（a）HT-N 2和（b）HT-Ar。锯齿状特征由双面黄色箭头表示，裸露的孔由黄色箭头表示。示意图表示板条马氏体以及裂纹如何以晶间和晶内模式扩展。