文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
在现代工业中，不锈钢因其优异的耐蚀性能、力学性能以及良好的热加工性能等特性，已成为大型结构件及关键部件的首选材料。
但在使用过程中，不锈钢由于其高脆性和不均匀性导致了其使用寿命较短、加工困难、制造成本高等问题。因此，如何有效提高不锈钢材料的综合性能已成为学术界和工业界的研究热点。
近年来，双相不锈钢凭借其优异的力学性能、耐腐蚀性能以及良好的加工性能等优点逐渐成为各行业领域所青睐的材料之一。双相不锈钢作为一种典型的奥氏体不锈钢，具有较高的强度、韧性和耐蚀性，同时还具有良好的高温稳定性。
双相不锈钢的增材制造
双相不锈钢具有优异的耐腐蚀、抗磨损、抗冲击性能，并且可以通过添加不同元素对其进行强化，从而获得优异的综合性能。
基于激光增材制造技术，可以制造出具有不同微观组织特征的双相不锈钢零件，并且由于其成形精度高、成形效率高等优点，目前该技术已经被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。
激光增材制造技术中主要采用的是激光熔敷技术。激光在金属材料中的传播方向与其原子排列方向基本一致，当激光入射到金属材料中时，其内部的原子会沿着激光射出方向进行移动，从而实现金属材料的连续凝固。
在激光熔化过程中，由于熔池中存在较高的温度梯度，因此会在材料表面形成一层十分致密且光滑的熔覆层。根据熔覆材料的不同，可以将增材制造技术分为两大类：粉末冶金增材制造技术和激光熔覆增材制造技术。
激光熔覆技术是在粉末中加入特定的金属，通过高速连续的光束将粉末熔化，并沉积到基体材料表面。相比于粉末冶金增材制造技术，激光熔覆技术具有设备简单、成形效率高等特点。
在激光熔覆层中，通常含有两种金属材料：铁素体和奥氏体。其中铁素体在高温下表现出了高硬度、高耐磨性和良好的抗腐蚀性；奥氏体在低温下表现出高强度、良好的耐腐蚀性和热稳定性。
基于激光熔覆技术，可以制造出各种微观组织结构，不同的微观组织会对其性能产生影响。双相不锈钢的主要微观组织包括奥氏体、铁素体和马氏体。
马氏体的加入可以提高材料的硬度，但是过多的马氏体会增加材料的脆性，降低材料的断裂韧性；铁素体和奥氏体可以有效降低材料的硬度，并且具有良好的韧性；铁素体和马氏体之间存在一定程度的共析，可以有效提高材料硬度。
基于激光熔覆技术，可以制备出双相不锈钢零件，这些零件可以根据内部组织特征分为三类：
（1）双相不锈钢合金件；（2）双相不锈钢母材；（3）双相不锈钢异种钢零件。
其中第一类零件通常由铁素体和奥氏体组成，第二类零件由铁素体和马氏体组成。与传统的激光熔覆层相比，双相不锈钢增材制造技术可以获得更加复杂、精密的零件，但是由于激光熔覆技术具有较高的成形精度和成形效率，因此其在制造过程中也存在一些问题。
工艺参数对微观组织与性能的影响
增材制造过程中，工艺参数对微观组织与性能具有重要影响，这直接关系到增材制造产品的力学性能。在沉积速度方面，研究表明沉积速度对材料微观组织及力学性能具有显著影响。
在粉末直径方面，通过研究不同粉末颗粒直径对SLM双相不锈钢微观组织及力学性能的影响，结果表明随着粉末颗粒直径的减小，SLM双相不锈钢的室温拉伸强度逐渐增大；但在较大粉末直径时，SLM双相不锈钢室温拉伸强度出现降低。
在扫描轨迹间距方面，研究表明当扫描轨迹间距较大时，SLM双相不锈钢中碳化物颗粒不容易被溶解、扩散和析出；但当扫描轨迹间距较小时，随着扫描轨迹间距的增大，碳化物颗粒更容易被溶解和析出。
在熔池凝固方面，研究发现由于能量输入不同，双相不锈钢的凝固过程具有明显区别：当能量输入较低时，熔池内不锈钢凝固过程较为缓慢；
当能量输入较高时，凝固过程则较为快速，对不同沉积速度对SLM双相不锈钢微观组织及力学性能的影响进行研究，结果表明随着沉积速度的提高，SLM双相不锈钢中碳化物颗粒更容易溶解、扩散和析出；但当沉积速度过大时，碳化物颗粒会因快速溶解而无法再析出。
在组织形貌方面，研究发现由于激光能量输入的不同，双相不锈钢的微观组织存在明显区别：当激光能量输入较低时，不锈钢中主要为碳化物颗粒，而随着激光能量输入的增加，碳化物颗粒逐渐溶解，不锈钢中主要为铁素体组织；
当激光能量输入较高时，由于激光能量输入较低，导致碳原子无法完全溶解，不锈钢中出现大量的奥氏体组织。
当沉积速度较低时，不锈钢中晶界碳化物颗粒较为粗大；当沉积速度较高时，晶界碳化物颗粒则较为细小。
微观组织与性能调控方法
首先，对材料进行热处理，例如对SLM双相不锈钢进行固溶处理、淬火处理、回火处理等。其中，固溶处理通常以过饱和的铁素体为基体，对铁素体和奥氏体进行均匀化处理。
激光粉末床熔化（LBM）制备的SLM双相不锈钢在固溶处理和回火后，其组织为铁素体与奥氏体两相的混合组织。
通过对SLM双相不锈钢进行固溶处理和回火处理后，其显微硬度、拉伸强度均有明显提高，但由于铁素体相在热处理过程中的析出和溶解，导致拉伸强度和硬度下降。
而回火处理制备的SLM双相不锈钢在回火过程中铁素体与奥氏体两相的混合组织在拉伸过程中得到强化。通过对SLM双相不锈钢进行RB处理后，其拉伸强度、硬度和冲击韧性均有明显提高。
其次，对SLM双相不锈钢进行热处理后再进行增材制造，能够显著提高材料的力学性能，在SLM双相不锈钢中引入适量的碳化物元素和稀土元素对材料的组织和性能进行调控。
对于SLM双相不锈钢来说，其力学性能主要取决于铁素体与奥氏体两相的比例以及碳化物元素含量。当碳化物元素含量超过一定值时会造成材料强度下降；当铁素体含量超过一定值时会造成材料塑性下降；而当奥氏体含量超过一定值时会造成材料硬度过大。
固溶时效处理对力学性能的影响
针对双相不锈钢的固溶时效处理，目前研究主要集中在通过添加合金元素来改变微观组织以提高力学性能。
然而，由于合金元素的种类繁多，且不同合金元素间的相互作用复杂，在进行固溶处理时难以精准地控制合金元素的添加量以达到最佳效果。因此，目前关于双相不锈钢固溶时效处理方面的研究大多通过对添加合金元素后的样品进行热处理来实现。
通过分析添加Cr、Ni、Mo、Ti等合金元素后的样品的微观组织，发现在进行固溶处理时，由于Mo和Ti元素与基体形成了新的固溶体，导致晶界发生了明显的“钉扎”现象，这可能是导致样品力学性能提升的重要原因。
但当Mo、Ti元素含量进一步提高后，晶粒会发生长大并与基体发生“位错”交互作用，在此过程中由于位错在晶界滑移从而导致样品力学性能下降。
为了提高样品力学性能，人们通常会通过添加Mo、Ti元素来改变固溶时效处理过程中金属间化合物的分布情况以获得最佳力学性能。
以添加Fe、Mo、Ti元素为基础，通过控制固溶处理过程中固溶温度和保温时间，最终获得了具有最佳力学性能的样品。
或者在保证样品力学性能前提下，通过降低固溶处理温度和延长固溶处理时间来提高样品力学性能。此外，在固溶处理过程中不同元素间相互作用对样品力学性能影响的研究也是目前国内外关于固溶时效处理方面研究中所
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