东南大学孙桂芳团队《MSEA》：水下30米环境的激光增材制造！

来源 :材料科学与工程

除水下电弧焊接和水下激光焊接外，基于送粉式的激光直接金属沉积（Underwater laser direct metal deposition, UDMD）技术可为水下破损零部件的原位修复提供一种新的方法。高氮钢（High nitrogen steel, HNS）具备优良的力学性能和的耐蚀性能，在海洋工程结构中具有很大的应用潜力。然而，在高氮钢的制备和修复过程中往往伴随着氮流失以及氮气孔形成等棘手难题，这将限制高氮钢构件的应用。

近日，东南大学孙桂芳研究团队在水下30米环境中（环境压力：0.3 MPa），基于UDMD技术采用氮含量为0.42 wt.%的高氮钢粉末原位修复了破损高氮钢基板，并与陆上修复结果进行对比研究。结果表明，UDMD技术所具备的特性避免了上述高氮钢制备过程中存在的棘手难题，系统地揭示了水下高压环境对氮行为、相变以及力学性能的影响机理，本研究可为高氮钢的制备及修复提供了一种全新思路。相关工作以“Influence mechanisms of underwater hyperbaric environment on nitrogen behavior, phase evolution, and mechanical properties of high nitrogen steel repaired by underwater laser direct metal deposition”为题发表在《Materials Science and Engineering: A》上。孙桂芳教授为论文通讯作者，杨坤为论文第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144967

高氮钢熔池凝固后，氮溶解度极低的铁素体首先析出，导致残余液相中氮浓度升高，为氮气孔形核提供前提条件。陆上修复试样中沉积区域存在肉眼可见的氮气孔，试样内部氮流失严重。在UDMD过程中，增大的环境压力大幅提升了熔池内的氮溶解度，避免了氮气孔形成；同时水下高压引发的加压氮化效应，使得沉积区域的氮含量高于原始粉末，水下修复试样中的奥氏体占比得以提升。

陆上修复试样中奥氏体表现为三种形态，分别为晶界奥氏体（WA）、魏氏体状奥氏体（WA）以及晶内奥氏体（IGA），而水下修复试样中的奥氏体仅表现为GBA。铁素体向奥氏体转变包含两种不同机制，分别是高温时的扩散转变以及相对低温时的切变转变。氮在铁素体中溶解度极低，在凝固过程中枝晶间富集了大量的氮，GBA通过扩散转变机制形成；凝固结束后，陆上修复试样中缓慢的空冷可保证充足的奥氏体转变时间，故而，WA和IGA分别在GBA和铁素体中通过切变转变机制形核并生长。在UDMD过程中，水冷效应促进了水下修复试样沉积区域的冷却，抑制了相对低温时的奥氏体切变转变。

奥氏体形核界面分为有理性构型和无理性构型，GBA是在高温时通过扩散转变机制而来的，此时的有理性构型与无理性构型作为奥氏体成核界面的能量壁垒差较小，二者均可作为奥氏体形核界面。在这种情况下，并非所有的铁素体-奥氏体界面都完全符合KS/NW界面。WA/IGA是在相对低温时基于无理性构型作为形核界面析出的，相对低温会引发较大的形核过冷度，促进KS/NW界面产生；此外，基于切变机制而来的WA/IGA会诱导奥氏体沿着KS/NW界面形核/生长。因此，陆上修复试样中的KS/NW界面远高于水下修复试样，且陆上修复试样的KS/NW界面主要集中在WA/IGA-铁素体边界处。

氮的固溶强化主要来自铁素体，水下修复试样虽固溶了更多的氮，但由此引发的奥氏体占比提升使得固溶强化稍弱于空气修复试样。水冷效应提升了水下修复试样的位错密度并细化了晶粒尺寸，得益于此，无气孔缺陷的水下修复试样的抗拉强度、延伸率及冲击韧性均高于陆上修复试样。

图1 陆上修复试样（a）及水下修复试样（b）的表面形貌和横截面

图2 陆上修复试样（a-f）及水下修复试样（g-l）EBSD分析对比结果

图3 陆上修复试样及水下修复试样沉积区域微观组织演变机理示意图

图4 本研究中修复试样的力学性能与同类试样对比