双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，或是较少相在钢中至少占到30%的不锈钢，DSS兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，例如DSS普遍具有比铁素体不锈钢更高的塑性和比奥氏体不锈钢更高的强度及耐蚀性，因此DSS是海洋、能源和化工装备中的关键结构材料。然而，随着工业发展，对材料的要求日益增长，DSS要在更高水平的机械性能与耐蚀性之间实现理想平衡仍是一个挑战，传统铸造或热处理手段往往伴随着组织粗大或相比例失衡的问题，近年来快速发展的增材制造技术，其快速凝固或高热输入又容易破坏相平衡，使材料难以同时获得高强度与高耐蚀性。

针对这一问题，湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室的宋立军教授团队利用激光定向能量沉积（L-DED）工艺，通过控制氮的扩散过程诱导准平衡相变（para-equilibrium transformation），在原位制备中实现了一种全新的相平衡结构，突破了双相钢力学与耐蚀性能难以兼顾的瓶颈。这一成果在材料领域的国际期刊《Scripta Materialia》以“Developing a novel phase balance of duplex stainless steel for exceptional mechanical properties and corrosion resistance”为题在线发表。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116467

【核心内容】

团队通过L-DED工艺实现了高致密度（99.95%）DSS样品的原位沉积，通过精确控制冷却速率（约3.8×10³ ℃/s）与热输入，最终钢材内奥氏体体积分数约49.85%，其中95%以上为细小等轴奥氏体，且界面呈86.3%的Kurdjumov-Sachs取向关系（K-S OR）与传统轧制钢材的39.5%相比显著提高，同时钢材内部元素分配不完全，未观察到Cr₂N析出，形成的Ni与N的富集带，能够显著提升钢材的堆垛层错能。随后团队进行的系统性表征结果表明，中等冷却速率最有利于获得由细小等轴奥氏体主导的理想相平衡结构，并进一步揭示了氮扩散主导的准平衡相变机制。

图形摘要

【研究方法】

该文章中的研究对象为2205型双相不锈钢，沉积所用原料为Fe-22.25Cr-5.37Ni-3.27Mo-0.18N（wt.%）球形粉末，衬底为同材质板材，沉积参数为：激光功率600W、光斑直径1.0mm、扫描速度8mm/s、层厚0.3mm。沉积过程使用纯度为99.99%的高纯Ar作为保护气体，流量为18L/min，同时冷却速率的调控主要通过改变沉积时的扫描速率来实现，在本研究中团队分别采用了6、8、10mm/s三种扫描速度以对应慢中快三种不同的冷却速率，并利用双波长高温计实时监测熔池热过程，对照组为锻造态同成分DSS。

【研究成果】

① 强度-延展性协同提升

该相平衡结构显著改善了传统双相钢性能间的矛盾，在室温力学实验中，钢材所表现出的屈服强度为755MPa，抗拉强度897MPa，延伸率32.8%。这一性能组合相比传统轧制态的2205不锈钢，强度提高约15%，塑性提升近30%，强度方面主要源于钢材内高密度位错和细化奥氏体提供的基体强化，而元素的部分偏析则提高了层错能，促发堆垛层错与扭折变形（kinking deformation），形成持续加工硬化，避免早期颈缩。

L-DED样品的应力–应变曲线与强度性能对比

② 耐蚀性能显著优于传统材料

在3.5% NaCl溶液中进行极化与浸泡试验表明，L-DED样品的腐蚀电位（E_corr）从−0.43V提升至−0.33V，点蚀电位（E_pit）从1.06V提升至1.27V，耐蚀性显著增强。不完全元素分配使奥氏体与铁素体的PREN差异降低（由2.53降至1.73），K-S取向界面比例增加，抑制了电化学微电偶效应。较低的Volta电位差（VPD=21.1mV）有效减弱了点蚀驱动力。

L-DED样品与轧制态样品的极化曲线与点蚀形貌对比

③ 不同冷却速率下的相变情况及其变形机制微观解析

钢材内部的相组成与冷却速率表现出较强的关联性，当冷却速率过快时，奥氏体的形成受到抑制，而过慢则会倾向于产生粗大组织，团队发现，当冷却速率约为3.8×10³ ℃/s时，钢材内的相平衡接近理想状态，此时N的扩散距离与奥氏体的间距高度匹配，有利于细小等轴奥氏体的形成。

不同扫描速度下的热历史与组织演化

在应变的初始阶段（5-15%），在奥氏体中能够观测到高密度的堆垛层错，随着变形继续进行到30%阶段，奥氏体被扭折，扭折奥氏体为后续的变形提供持续的加工硬化与诱发的晶向重排协同促进均匀塑性，同时钢材内高比例的K-S界面促进了相界滑移转移，有效避免界面开裂，使钢材在高应变下仍能保持均匀变形，而不提前发生颈缩。

L-DED样品的多级变形机制与界面响应

【总结与展望】

该研究中提出了一种基于增材制造技术的双相不锈钢铁素体/奥氏体新型相平衡结构，该研究拓展了增材制造条件下的相平衡调控新思路，在海洋工程、能源装备与化工容器等高腐蚀环境中具有重要的工程应用潜力。