通过定向能量沉积修复技术诱导的层次化微观结构，实现SUS316L钢的低温强度与延展性的协同提升

《Materials Science and Engineering: A》：Enabling cryogenic strength–ductility synergy in SUS316L via hierarchical microstructures induced by directed energy deposition repair

　　

朱查熙（Chahee Jung）| 萨贡·曼杰（Man Jae SaGong）| 金莱恩（Rae Eon Kim）| 杨大哲（Dae Cheol Yang）| 李哈恩（Hahun Lee）| 南承镇（Seungjin Nam）| 金亨燮（Hyoung Seop Kim）| 孙硕洙（Seok Su Sohn）

韩国大学材料科学与工程系，02841首尔，韩国

摘要

在本研究中，我们证明了通过定向能量沉积（DED）修复SUS316L不锈钢所形成的层次异质微观结构可以有效利用，在低温下实现优异的强度-延展性协同效应。DED过程在受控激光功率（220–280 W）和扫描速度（850 mm/min）条件下进行。通过结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和数字图像相关性分析，系统研究了修复结构的变形行为。修复材料表现出明显的异质结构，包括由位错胞稳定的修复区和平均晶粒尺寸为15.3 μm的细晶粒热影响区（FGHAZ），这些区域在变形过程中与基材相互作用（约53%的应变）。数字图像相关性分析表明，FGHAZ作为一个机械兼容的过渡区，通过促进逐渐的应变分配和变形过程中的平滑应变传递，减轻了修复/基材界面的应变局部化。结果，修复样品在77 K时的抗拉强度达到1522 MPa，伸长率为53%，同时超过了基材的强度和延展性。这种优异的低温性能源于延迟的变形诱导马氏体转变，这一转变受到密集的层次位错胞网络和相关溶质偏聚的动力学阻碍，从而维持了应变硬化并抑制了过早的应变局部化。这些结果表明，FGHAZ介导的应变分配与延迟的DIMT的联合效应使得修复结构在低温下同时提升了强度和延展性。

引言

修复技术在延长高价值结构组件的使用寿命方面发挥着关键作用，尤其是在更换成本高昂或不切实际的行业中[1]，[2]。传统上，修复被视为一种恢复过程，旨在恢复受损组件的原始几何形状和机械完整性。然而，这种观点很大程度上忽略了修复本身引入的微观结构异质性，而这会从根本上改变变形行为和机械性能[3]，[4]。此外，金属组件的修复通常也被视为一种恢复过程。然而，其在低温条件下主动调整机械性能的潜力，尤其是在变形行为对微观结构变化高度敏感的情况下，仍然很大程度上未被探索。因此，控制这种修复引起的异质性对于确保结构可靠性至关重要，尤其是在极端环境条件下。

在各种修复技术中，定向能量沉积（DED）因其能够精确控制热输入的局部沉积而受到越来越多的关注。传统的修复方法，如熔焊、钎焊和热喷涂，往往会导致过度的热暴露，并产生宽大的热影响区（HAZ）和过早的裂纹形成[5]，[6]，[7]。相比之下，DED修复可以实现局部熔化和快速固化，从而最小化HAZ宽度并提高界面完整性[2]。局部微观结构的修改和加工引起的异质性会显著影响焊接和修复过程中的界面完整性、变形行为和损伤演变[8]。然而，DED修复不可避免地会产生由修复区、HAZ和原始基材组成的异质结构，其机械相互作用尚未得到充分理解。

奥氏体不锈钢（ASS）SUS316L具有面心立方（FCC）晶体结构，由于其优异的韧性和在低温下的强度保持能力，被广泛用于低温应用，包括液氢储存系统和与太空相关的结构组件[9]，[10]。从工程角度来看，能够在不损害其低温机械性能的情况下修复SUS316L组件至关重要。然而，修复引起的微观结构异质性引发了关于低温条件下变形兼容性、应变局部化和断裂起始的担忧。

最近的研究进一步表明，在DED过程中通过热驱动的晶粒结构工程可以主动调整变形行为[11]。李等人[12]展示了在局部熔化过程中通过控制凝固路径可以有目的地利用热流来控制变形行为。先前对DED处理的SUS316L的研究表明，特征性的胞状或位错胞结构可以显著增强应变硬化和机械强度[13]，[14]。Wanni等人[15]表明，DED处理的316L中的胞状结构可以作为位错运动的有效屏障，促进动态滑移细化，从而在室温下增强应变硬化。在低温条件下，SUS316L的变形机制受到降低的堆垛错能（SFE）的强烈影响，导致位错滑移、变形孪晶和变形诱导的马氏体转变（DIMT）之间的复杂相互作用。例如，王等人[16]报告称，与渐进式DIMT相关的持续应变硬化支撑了增材制造316L的有利低温强度-延展性平衡，但这些研究主要集中在孤立的沉积材料上。因此，修复引起的异质性的机械影响，即多个微观结构区在变形过程中共存和相互作用的情况，仍然很大程度上未被探索。

特别是，修复区、中间HAZ和基材的存在引入了晶粒结构、位错密度和变形机制的空间变化，这些变化可以深刻影响温度依赖的变形路径。将修复区视为均匀材料无法完整描述修复组件的机械行为。理解修复引起的微观结构特征对于DED修复的可靠应用至关重要。具体来说，这需要明确HAZ中的晶粒细化和层次位错胞结构如何控制低温变形。这种通过微观结构优化变形行为的策略越来越被认为是通过有目的的微观结构调整来克服传统强度-延展性权衡的有效方法[17]。

在本研究中，我们将DED修复的SUS316L的低温变形行为视为一个相互作用的异质系统，而不是孤立的沉积材料来进行研究。通过结合微观结构表征、数字图像相关性和室温和低温下的拉伸测试，本研究阐明了细晶粒HAZ（FGHAZ）如何调节应变分配，以及层次位错胞结构如何延迟DIMT，从而维持应变硬化。尽管对SUS316L有广泛的理解，但大多数先前的研究都集中在均匀微观结构上，而空间修复引起的异质性对低温变形的影响很少被讨论。此外，FGHAZ介导的应变适应与修复区之间的转变行为之间的相互作用仍不清楚。本研究表明，修复引起的微观结构异质性可以有目的地作为一种微观结构工程策略，用于克服ASS在低温下的传统强度-延展性权衡。

章节片段

材料和DED修复过程

使用火花光发射光谱仪（Spark-OES，Euroscience Co.，Spectrocheck，德国）分析了基材、粉末和修复样品的化学成分，结果总结在表1中。基材材料是商用热轧SUS316L不锈钢。为了模拟需要修复的受损组件，在基材上加工了一个部分凹槽，如图1a所示。过小的凹槽角度可能会阻碍粉末的沉积。

DED修复后的微观结构演变

图2a显示了EBSD逆极图（IPF）图，清楚地显示了基材、修复区和中间HAZ之间的微观结构差异。分析区域对应于修复样品的法线方向平面，包括与基材的界面和修复区域。基材区（图2b）由平均晶粒尺寸为40.3 μm的等轴晶粒组成。相比之下，修复区（图2e）表现出外延柱状晶粒。

DED修复引起的层次微观结构

DED修复过程本质上是一个非平衡过程，涉及局部激光加热、快速熔化和随后的局部固化。由于这些特性，修复不可避免地会产生与原始基材明显不同的微观结构特征[34]。该过程产生的不是均匀的修复区，而是一个层次异质的结构，其中多个微观结构区共存

结论

本研究系统研究了DED修复的SUS316L的低温变形行为，特别关注了修复引起的微观结构异质性。结果表明，DED修复不仅可以作为一种恢复技术，还可以作为一种有效的微观结构工程策略，在低温下提高机械可靠性。主要结论总结如下：

• (1)
  DED修复产生了层次异质的结构

CRediT作者贡献声明

杨大哲（Dae Cheol Yang）：研究、概念化。李哈恩（Hahun Lee）：研究。南承镇（Seungjin Nam）：研究。金亨燮（Hyoung Seop Kim）：监督、资源管理、项目管理。孙硕洙（Seok Su Sohn）：撰写-审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、概念化。朱查熙（Chahee Jung）：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、研究、正式分析。萨贡·曼杰（Man Jae SaGong）：研究、概念化。金莱恩（Rae Eon Kim）：研究

未引用的参考文献

[69]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助 [NRF-2022R1A5A1030054; NRF-RS-2025-25442456; NRF-RS-2023-00281508]。