曼徹斯特大學Nat. Commun. ：高強硅相不銹鋼的設計和耐磨性研究

【引言】

隨著社會對環境友好型材料的需求，傳統的鈷基耐磨堆焊合金，常用于核領域。因為鈷基耐磨堆焊合金能夠滿足耐磨、強度高和耐蝕的要求。但是，鈷合金的價格高、制備困難，所以替代合金正在被廣泛研究。本文研究了鐵基的不銹鋼RR2450合金中，新出現的高強相的出現，對于合金性能的影響。測試了合金的性能變化，分析了高強相的晶體信息，揭示了高強相改善合金性能的作用機理。

【成果簡介】

近日，英國曼徹斯特大學的M. Preuss（通訊作者）等人研究發現，耐磨堆焊金屬具有高強、耐磨和耐蝕層。這涂層促使合金可以在極端環境（如核反應器）下使用。作者在耐磨堆焊鐵基合金中，發現超高強Fe-Cr-Ni硅相，命名為π-鐵硅相。采用X射線斷層攝影術觀察這種相的原子結構。納米硬度測試表明，π-鐵硅相的硬度是周圍奧氏體和鐵素體相的2.5倍；壓縮強度測試結果為，π-鐵硅相的強度異常高，即使超過1.6 GPA也不會屈服。因此π-鐵硅相不僅可以作為一種新的強度、耐磨性和耐蝕性的鐵基涂層，替代較貴和危險的鈷基合金，應用到核反應中，也可以促進一種新的、高性能的硅增強不銹鋼材料的發展，不僅僅依賴碳的不銹鋼材料。相關成果以“A high-strength silicide phase in a stainless steel alloy designed for wear-resistant applications”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 RR2450的粉末XRD圖譜

采用鈷靶（λ= 1.79 ?）測試，RR2450的粉末XRD圖譜：奧氏體（γ）, δ-鐵素體（δ），硅相（π），M₇C₃和（Nb,Ti）CN。

圖2 RR250合金典型區域的元素分析圖

（a）EBSD相圖；

（b）帶對比圖；

（c）Cr的SEM-EDS圖像；

（d）Ni的SEM-EDS圖像。

圖3 VESTA第一性原理計算的π-鐵硅相，運動細化后的原子分布圖

（a）σ(ΔV) = 1.09 e/?時，π-鐵硅相，運動細化后的原子分布圖；

（b）σ(ΔV) = 0.093 e/?時，π-鐵硅相，運動細化后的原子分布圖；

（c）σ(ΔV) = 1.41 e/?時，缺碳的π-鐵硅相，運動細化后的原子分布圖；

（d）σ(ΔV) = 0.054 e/?時，缺碳的π-鐵硅相，運動細化后的原子分布圖。

圖4 RR2450合金中π-鐵硅相，運動細化后的結構示意圖

RR2450合金中π-鐵硅相，運動細化后的結構示意圖。

圖5 RR2450的力學性能分析

（a）RR2450合金的平均維氏硬度圖；

（b）RR2450合金中，奧氏體、π-鐵硅相和（Nb，Ti）CN相的中子衍射原位側壓試驗的壓縮彈性應變圖。

圖6 循環高溫等靜壓HIP模擬中，溫度和時間對相成分的影響

循環高溫等靜壓HIP模擬中，溫度和時間對相成分的影響。

圖7 RR2450和5183合金的相穩定性和化學計量的關系

（a）π-鐵硅相和奧氏體相的體積分數之間的關系；

（b）π-鐵硅相的體積分數和鐵素體體積分數的變化；

（c）Ni的含量和奧氏體的穩定性的關系圖；

（d）Ni的含量和π-鐵硅相的穩定性的關系圖；

（e）Si的含量和π-鐵硅相的穩定性的關系圖；

（f）Cr的含量和π-鐵硅相的體積分數的關系圖。

【小結】

本文研究了鋼中的高強相（π-鐵硅相）。明確了π-鐵硅相的晶格常數、原子位置和P2₁3空間群。采取動力學細化的方法，研究碳原子的位置、含量對π-鐵硅相的影響。采用原位粉末熱處理方法，分析π-鐵硅相的分解溫度。分析結果可知，不銹鋼合金設計采用硅元素取代碳元素是可行的。硅基不銹鋼材料具有高強度、耐腐蝕的特點，在未來的應用上，具有很高的潛力。

文獻鏈接：A high-strength silicide phase in a stainless steel alloy designed for wear-resistant applications（Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03875-9）。

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