激光增材制造技术通过逐层沉积的方式可直接实现复杂结构件的近净成形，但制备过程中反对的快速凝固实际上是对构件进行了多次的短时热处理，这种热历史往往会造成最终构件内部形成粗大的柱状晶和元素偏析，这种情况会造成力学性能的各向异性，同时还会因微电偶效应等机理的加剧导致严重降低材料的耐腐蚀性能。目前，有研究团队通过引入碳化物进行晶粒细化，但碳化物易在晶界处团聚，且碳溶解会导致铬贫化进而损害耐腐蚀性。同时，打印过程中的气氛或粉末表面吸附的氧/氮杂质会优先氧化形成惰性TiO2相，加速颗粒粗化。

近日，清华大学团队联合国内外多家单位提出了一种巧妙的多组分碳化物（MCCs）粉末混合策略，将3D打印316L不锈钢中的有害氮/氧杂质转化为有益的自组装核壳纳米颗粒，使奥氏体晶粒细化至2.1μm，屈服强度几乎翻倍，同时耐腐蚀性能明显提升，为金属增材制造领域同时调控微观结构和性能开辟了新路径。目前这一成果在线发表于国际材料领域期刊《Science Advances》，论文题为“Hydrogen-induced cracking along the non-twin microstructures formed by twin intersection around pores in AM 21Cr-6Ni-9Mn-N steel”。

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.aea5057

【核心内容】

团队使用(TiWNbTa)C多组分碳化物（MCCs）替代传统单一碳化物，在激光熔化过程中，Ti优先与有害的N/O杂质反应形成Ti(N,O)化合物，随后剩余的W、Nb、Ta与C结合形成碳化物，并在Ti(N,O)表面异质形核，这种核壳结构不仅抑制了Ti(N,O)的粗化，还提高了细化剂颗粒的数量密度和均匀分布。

【研究成果】

① 从粗大柱状晶到超细等轴晶的转变

与未添加MCC的LPBF-316L样品相比，添加4 wt% MCCs后，材料内部形成了超细等轴晶粒结构，奥氏体晶粒沿建造方向平均晶粒尺寸仅2.1μm，横向的平均晶粒尺寸同样细化至2.8μm，这一细化效果远超传统相同含量的TiC添加。

LPBF制备的316L与316L-MCC钢的晶体学特征对比

② 自组装核壳纳米颗粒结构

316L-MCC样品的核壳结构是主要的析出形态，该结构是由富含Ti、O、N元素的核心，以及由Ti、Nb、Ta、W和C组成的外壳构成，平均尺寸仅为62.7nm，数量密度高达1.2×1013 m-2，远高于纯MCC颗粒。

316L-MCC样品中核壳结构纳米颗粒的化学组成与分布表征

③ 卓越的力学性能

添加4wt.% MCCs后，屈服强度跃升至836MPa，抗拉强度达到1050MPa，同时保持了20%的均匀延伸率，当MCC含量增至6wt%时，抗拉强度进一步达到1205MPa，且总延伸率仍有25%。

力学性能与耐腐蚀性测试结果

④ 强化效果量化与耐腐蚀机制

Ti2O3和MCC相会依次在1675℃和1592℃析出，这意味着核壳结构的形成是自然发生的，综合强化机制计算显示，晶粒细化强化贡献113.9MPa，Orowan强化贡献139.5MPa，位错强化贡献175.5MPa。MCC还使晶界与晶内电势差降至2mV，降低了微电偶腐蚀的风险，而W元素在钝化膜外层富集形成稳定的WO3保护层进一步增强了膜的稳定性。

热力学计算与凝固行为分析

腐蚀机制分析

【总结与展望】

该研究为金属增材制造领域设计高性能合金开辟了全新途径，在航空航天、海洋工程、能源装备等对强度和耐腐蚀性均有严苛要求的应用场景中具有广阔的应用前景。