大马士革钢是制作刀剑的顶级用钢。在铸造成刀剑时表面会有一种特殊的花纹－－－穆罕默德纹，属于花纹钢中的铸造型花纹钢，区别于折叠锻打形成的焊接型花纹钢。因为花纹能够使刀刃在微观上形成锯齿，使得刀剑更加锋利。
最新一期Nature，作者提供了一种更高强度的大马士革钢。激光增材制造（LAM）的零件会经历一个特定的热历史，首先是从液态快速淬火，然后进行固有热处理（IHT），即由大量低温度峰值组成的循环再加热。在定向能量沉积（DED）中，IHT很明显，因此提供了局部调整微观结构的机会。然而，新材料必须是量身定制的，以最好地利用这些特殊条件，因为传统的合金成分不能被期望有效地发挥作用，因为它们已经被优化为其他加工路线，例如铸造或锻造。
最近发现IHT可以触发铁-镍-铝（Fe-Ni-Al）合金中的镍铝（NiAl）沉淀，这种所谓的马氏时效钢的性能来自两个重要的相变。最初，通过奥氏体到马氏体转变的淬火形成了富镍的软马氏体显微组织，该马氏体随后通过第二次相变硬化，形成金属间纳米沉淀物。因此，常规生产以及LAM生产的商业马氏体时效钢（例如18Ni-300）都需要进行昂贵的时效处理，以形成增强性能的金属间沉淀物。铁-镍-钛（Fe-Ni-Ti）合金系统显示出极快的Ni3Ti沉淀析出动力学，这使它们非常适合利用IHT期间的低温度峰进行原位沉淀硬化。
DED工艺参数的数字控制使我们能够利用这两个相变并调整微观结构，以创建一种受大马士革钢启发的新材料。大马士革钢的层状结构最初是由于反复折叠和锻造由硬钢和软钢组成的大复合材料而产生的，它给复合材料带来了优异的强度和延展性。作者利用这一概念来制造大马士革状的马氏体时效钢，不是通过折叠和锻造，而是通过利用快速淬火、连续原位加热和局部相变来制造层状微观结构。作者专门设计了Fe19Ni5Ti合金来利用DED的快速淬火和IHT的性质，调整了DED工艺参数，以调节制造过程中的时间-温度曲线，从而可以精确、局部地控制马氏体的形成，析出以及机械行为。此方法避免了费时且昂贵工艺后时效热处理，并且还提供了局部微调微观结构的可能性，这是常规热处理无法实现的。
PhilippKürnsteiner等人利用定向能量沉积固有的高冷却速率和循环再加热（即所谓的固有热处理），对加工参数进行数字控制，从而对所得合金的微观结构进行控制。他们发现这种固有的热处理可以在激光增材制造铁镍铝合金过程中触发镍铝沉淀。他们以专为激光增材制造设计的Fe19Ni5Ti（用预合金Fe20Ni粉末与商业纯Ti粉末混合得到）钢为例，在制造过程中对纳米沉淀和马氏体相变的局部控制导致了横跨多个长度尺度的复杂微观结构层次，从大约100微米厚的层到纳米级的沉淀物。生产出了一种由软硬质层交替组成的材料，该材料具有1300MPa的抗拉强度和10％的伸长率，显示出比古代大马士革钢更好的机械性能。这里使用的原位沉淀强化和局部微观结构控制原理可应用于各种沉淀硬化合金和不同的增材制造工艺。
图1增材制造Fe19Ni5Ti试样：（a）DED过程的示意图
我们通过直接能量沉积法（DED）制备了Fe19Ni5Ti马氏体时效钢时使用计算机控制沉积路径，包括在沉积四层后暂停120秒的。在暂停期间，关闭激光并冷却样品，停顿在每个块的顶部形成暗带，该暗带不停地连续沉积。叠加的硬度曲线显示，暗带比中间的四层块硬度约高100 HV。这些暗带，以毫米-厘米的长度为单位，代表了我们在图1c中绘制的大马士革钢的分级微观结构的最粗糙的组成部分。
图2不同长度尺度的微观结构表征（硬区域/带用蓝色虚线标记）
图2显示了由LAM生产的马氏体时效钢的典型显微组织，它由镍马氏体基体组成，残余奥氏体出现在枝晶间区域，因为枝晶间区域富含溶质，所以奥氏体稳定。电子背散射衍射（EBSD）表明，硬带和较软区域都具有相似的奥氏体分数和马氏体形态（图2a）。元素映射揭示了两种不同长度尺度上Ti分布的不均匀性（图2b，c）：（1）在熔体流动（Marangoni对流）过程中，预合金Fe20Ni粉末与Ti粉末的不完全混合导致钛富集区的尺寸只有几百微米，这些混合不均匀性对总相分数没有影响；（2）钛在凝固过程中向偏析区的微偏析导致微米级的区域富含钛。图2b显示，硬区域和软区域之间合金元素的分布或浓度没有明显差异。图2c说明了Ti和Ni微偏析在稳定奥氏体中的作用，带有EBSD图的电子显微照片表明，光滑、较暗的外观区域是奥氏体。由于表面粗糙，马氏体发出更多的二次电子，因此显得更亮。元素映射表明，枝晶间奥氏体富集了Ti和Ni，这是违反直觉的，因为通常将Ti归类为钢中的铁素体稳定元素。但是，我们使用相图计算（CALPHAD）模拟计算了马氏体形成的驱动力，这表明Ti富集降低了奥氏体和马氏体之间的吉布斯能量差。因此，在该合金中，Ti用作奥氏体稳定剂。由DED期间的快速冷却产生的这些树枝状和树枝状区域代表了图1c中所示的分层微观结构的中间组成部分。
图3软质区和硬质区马氏体和奥氏体的APT分析
图3a,b显示了通过原子探针层析成像（APT）重建的材料和软区奥氏体和马氏体的5微米厚的薄片。仅显示Ti原子，并且它们出现在两个相中随机分布。然而，在硬区域，马氏体中出现了高密度的沉淀物（图3c），发生了两个连续的相变：第一，奥氏体-马氏体相变；第二，马氏体内部的沉淀。沉淀仅在马氏体中发生，因为合金元素在奥氏体中的溶解度更高。对多个APT数据集进行平均，确定的沉淀物体积分数为3.50±0.51％。
图3d中，在Ti原子图中沉淀物由一组包含区域（含10％以上的Ti）（深绿色）的同位素组成表面突出显示。单板状沉淀物的成分分布图表明该成分与η型Ni3Ti相容。这些η相析出物代表在我们的大马士革状钢的设计中选择的预期析出相，它们是最小的微观结构成分（图1c）。
图4 Fe19Ni5Ti钢试样的拉伸性能
为了探究数字化设计的大马士革状微结构的拉伸性能，分别制备了没有任何暂停（无沉淀）的样品以及每层后暂停时间为90秒的样品。后一种大马士革型钢具有分层结构，每个DED层均具有暗带。由于在每层之后引入了暂停，而不是像以前的示例那样在每第四层之后引入了暂停，因此暂停时间更短。图4中的拉伸曲线显示出屈服强度和极限抗拉强度显着增加了大约200 MPa。有趣的是，经沉淀硬化的分层试样不仅强度增加，延伸率也增加。
作者通过使用与分层制造技术相关联的IHT序列的数字控制，通过增材制造可以直接原位合成分层结构的大马士革状金属复合材料。通过控制交替层之间的暂停，作者构建了具有优异机械性能（1300 MPa和10％伸长率）的复合微结构，它的结构由介观的软区域（即没有纳米沉淀）和硬区域组成，其中的硬区域包含大量纳米级沉淀。这些析出物在马氏体转变后的IHT过程中形成，这本身是由停顿所提供的冷却引起的。通过专门设计用于LAM的Fe19Ni5Ti合金来实现此成就，该合金允许我们调整马氏体转变的起始温度并在此过程中进行析出。
在这里，我们选择改变各层之间的暂停时间，因为它对温度的影响非常直观且可测量的，可以通过对工艺参数（例如激光功率，扫描速度，外部加热和冷却等）或其组合来控制局部样品温度，这使得此处介绍的方法适用于广泛的增材制造过程。此外，利用IHT进行原位淬火可以扩展到其他沉淀硬化合金，局部调整微观结构和机械性能的机会为制造业提供了新的可能性。举个例子，我们可以制造出内部柔软坚硬的工具，并且仅对外表皮进行沉淀硬化处理，而无需进行涂层处理或表面硬化处理。
原文链接 https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3