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干货分享 | 热处理解锁厚层SLM成形CX不锈钢的性能基因密码
发布时间：
2026-03-18 15:09
来源：
阅读量：
5985
本文发表于Journal of Materials Science；作者：侯江鹏（长沙理工大学/东莞材料基因高等理工研究院）；
通讯作者：吴泽峰（东莞材料基因高等理工研究院）。
致谢：该项目获广东省基础与应用基础研究重大项目（2020B0301030001）、湖南省水利厅水利科技项目（XSKJ2024064-38）等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1007/s10853-025-11635-6
图文供稿：东莞材料基因高等理工研究院 孟铮
（一）研究背景
随着金属增材制造技术的快速发展，激光选区熔化（SLM）作为主流工艺之一，在模具制造、工程装备等高端制造领域的应用愈发广泛。CX不锈钢因高铬镍含量兼具优异的耐腐蚀性和力学性能，成为SLM成型的重要选材，但其成型性能高度依赖工艺参数与后续热处理，层厚更是影响SLM制造效率、熔池质量及构件组织性能的核心参数。
然而目前相关研究多聚焦30、60μm小层厚CX不锈钢，90μm以上大层厚对沉积层热循环峰值温度、纳米析出相形成行为的影响尚未明确，且大层厚下循环热积累减少对凝固行为的作用机制仍属未知，同时缺乏针对100μm大层厚SLM成型CX不锈钢的系统热处理工艺研究。
因此，探究不同热处理工艺对100μm层厚SLM成型CX不锈钢微观组织演化和力学性能的调控规律，对推动大层厚CX不锈钢增材制造的工业化应用、优化其热处理工艺具有重要意义。
东莞材料基因高等理工研究院（CEAM）在《Journal of Materials Science》期刊发表题为“Influence of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser‑melted CX stainless steel”的研究，文章以100 μm层厚激光选区熔化（SLM）制备的CX不锈钢为对象，系统探究了固溶、时效、固溶+时效三种热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响。
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热场发射扫描电镜(SEM) 设备型号：日本电子JEOL JSM-IT800 纳米级分辨能力，0.5 nm（15 kV）分辨率，其放大倍率最高可达100万倍，同时搭载了EDS 能谱分析、EBSD 电子背散射衍射，以及原位高温拉伸台，具备“形貌—成分—结构—演化” 四合一的多功能集成能力。 |
激光粒度仪 设备型号：HORIBA LA-350 测量物料粒度大小及粒度分布，进行无机分析、有机分析和生物分析，测量范围 1-1000 µm。 |
物相X射线衍射材料分析仪 设备型号：理学 Ultima IV 可对多晶样品进行物相定性和定量分析；区分结晶和非晶物质，并对样品进行定性结构分析、无标样定量分析、结晶度计算、晶胞参数精修等。 |
MTS微机控制电子万能试验机 设备型号：MTS C43.504Y 最大试验力：50 kN |
（二）研究概括
为探究热处理对100μm层厚激光选区熔化（SLM）成型CX不锈钢微观组织与力学性能的调控规律，文章以气雾化CX不锈钢粉末为原料，采用SLM工艺制备试样，设计固溶（900℃/1h）、时效（520℃/3h）、固溶+时效（900℃/1h+520℃/3h）三种热处理方案，通过工业CT、XRD、EBSD、TEM等手段表征试样微观组织，结合硬度、室温拉伸及断口分析测试其力学性能，系统研究了不同热处理工艺下CX不锈钢的组织演变规律，揭示了各状态下的强化机制与断裂特征，对比分析了不同工艺对材料力学性能的影响效果，明确了大层厚SLM成型CX不锈钢的最优热处理工艺选择及性能调控机制。
CX不锈钢粉末的形貌、元素分布和粒度分布
（实验设备：日本电子扫描电镜、激光粒度仪）
（三）研究内容
成型态CX不锈钢的微观组织
100 μm层厚SLM成型态CX不锈钢致密度极高，孔隙率仅0.0028 vol.%，无熔合不良等典型增材缺陷，微观组织以板条马氏体为基体、残余奥氏体含量仅0.1%，且存在高密度细晶结构，因大层厚减少了沉积层热循环次数，该状态下未出现小层厚试样中常见的纳米NiAl析出相；同时试样晶粒在横、纵向截面均无明显择优取向。
（a）制备的CX不锈钢样品在建成状态下的横向相分布；
（b）制备的CX不锈钢试样在建成状态下的纵向相分布；
（c）、（d）分别为图（a）、（b）中红框所标记区域的EBSD图像；
热处理对CX不锈钢微观组织和力学性能的影响
三种热处理工艺对100μm层厚SLM-CX不锈钢的组织和力学性能呈现差异化调控效果。
固溶处理（900℃/1h）使残余奥氏体完全转变为马氏体，但引发显著晶粒粗化、合金元素固溶入基体，无析出相生成，导致材料力学性能较成型态整体下降；
单时效处理（520℃/3h）让组织形成规则块状马氏体，晶界出现少量逆转变奥氏体，基体析出纳米Al₂O₃颗粒并锚定晶界抑制晶粒长大，无NiAl相析出，使材料硬度达峰值50.3±0.5 HRC，强度较成型态大幅提升且延伸率保持8.0%，实现强塑平衡；
固溶+时效复合处理（900℃/1h+520℃/3h）使残余奥氏体含量进一步降低，马氏体板条分布更均匀，基体同时析出纳米Al₂O₃和5-15nm的β-NiAl纳米颗粒，二者形成双相沉淀，让材料获得最高的抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS），但塑性下降，延伸率降至6.5%，且所有热处理态均以α-Fe为主相，热处理均提升了α-Fe(110)晶面衍射峰强度。
不同热处理条件下样品的XRD谱图
（实验设备：日本理学物相XRD）
（a）不同热处理下的硬度测量；（b）不同热处理条件下的应力应变曲线；
（c）最终不同热处理条件下的抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）性能
（实验设备：50kn 拉伸机）
断裂机制分析
不同处理状态下CX不锈钢的断裂机制呈现明显演变规律，成型态为典型韧性断裂，断口有明显颈缩和均匀深韧窝，窝内可见大层厚SLM工艺带来的未熔粉末颗粒缺陷。
固溶处理态仍为韧性断裂，但颈缩特征减弱，韧窝尺寸减小、深度变浅，源于溶质原子固溶后提升了位错滑移阻力，降低了塑性变形能力；
单时效处理态转变为准解理断裂，断口无颈缩，出现河流花样、稀疏浅韧窝及少量二次裂纹，对应材料塑性下降、韧性变差；
固溶+时效处理态为典型准解理断裂，断口可见清晰解理面和大量二次裂纹，几乎无韧窝，因双相析出的强硬化作用大幅提升强度的同时，显著增加了材料固有脆性，使其对缺陷和应力集中更敏感。
不同热处理方式下试样的断口形貌图像
强化机制分析
成型态与固溶处理态CX不锈钢的核心强化机制为晶界强化、织构强化与位错强化的线性叠加，且位错强化占主导，通过Hall-Petch关系、森林硬化模型等经典模型定量计算，二者的强化贡献值叠加后与实测屈服强度基本吻合；固溶+时效处理态的核心为β-NiAl与纳米Al₂O₃的双相沉淀强化，且符合Orowan机制，位错绕过硬质β-NiAl颗粒需消耗额外应力，代入颗粒参数计算的屈服强度与实测值高度吻合。
SLM和固溶处理样品的实验和理论YS值及相应的强化贡献
（四）研究结论
（1）100 μm大层厚SLM制备的CX不锈钢成型态致密度高，但因热循环次数减少，无β-NiAl析出相，与小层厚试样存在显著组织差异。
（2）三种热处理工艺对组织和性能的调控效果不同：固溶处理导致晶粒粗化、性能下降；单时效处理析出纳米Al₂O₃，实现强度与塑性的最优平衡；固溶+时效处理析出双纳米相，获得最高的抗拉和屈服强度，但延伸率降低。
（3）断裂机制随热处理工艺变化：成型态和固溶处理试样为韧性断裂，时效和固溶+时效试样为准解理断裂，脆性增加。
（4）100μm大层厚的SLM工艺存在未熔粉末颗粒缺陷，易成为应力集中源，可能降低材料的强度和疲劳性能。
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