大馬士革鋼是制作刀劍的頂級用鋼。在鑄造成刀劍時表面會有一種特殊的花紋－－－穆罕默德紋，屬于花紋鋼中的鑄造型花紋鋼，區別于折疊鍛打形成的焊接型花紋鋼。因為花紋能夠使刀刃在微觀上形成鋸齒，使得刀劍更加鋒利。

最新一期Nature，作者提供了一種更高強度的大馬士革鋼。激光增材制造（LAM）的零件會經歷一個特定的熱歷史，首先是從液態快速淬火，然后進行固有熱處理（IHT），即由大量低溫度峰值組成的循環再加熱。在定向能量沉積（DED）中，IHT很明顯，因此提供了局部調整微觀結構的機會。然而，新材料必須是量身定制的，以最好地利用這些特殊條件，因為傳統的合金成分不能被期望有效地發揮作用，因為它們已經被優化為其他加工路線，例如鑄造或鍛造。

最近發現IHT可以觸發鐵-鎳-鋁（Fe-Ni-Al）合金中的鎳鋁（NiAl）沉淀，這種所謂的馬氏時效鋼的性能來自兩個重要的相變。最初，通過奧氏體到馬氏體轉變的淬火形成了富鎳的軟馬氏體顯微組織，該馬氏體隨后通過第二次相變硬化，形成金屬間納米沉淀物。因此，常規生產以及LAM生產的商業馬氏體時效鋼（例如18Ni-300）都需要進行昂貴的時效處理，以形成增強性能的金屬間沉淀物。鐵-鎳-鈦（Fe-Ni-Ti）合金系統顯示出極快的Ni3Ti沉淀析出動力學，這使它們非常適合利用IHT期間的低溫度峰進行原位沉淀硬化。

DED工藝參數的數字控制使我們能夠利用這兩個相變并調整微觀結構，以創建一種受大馬士革鋼啟發的新材料。大馬士革鋼的層狀結構最初是由于反復折疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的大復合材料而產生的，它給復合材料帶來了優異的強度和延展性。作者利用這一概念來制造大馬士革狀的馬氏體時效鋼，不是通過折疊和鍛造，而是通過利用快速淬火、連續原位加熱和局部相變來制造層狀微觀結構。作者專門設計了Fe19Ni5Ti合金來利用DED的快速淬火和IHT的性質，調整了DED工藝參數，以調節制造過程中的時間-溫度曲線，從而可以精確、局部地控制馬氏體的形成，析出以及機械行為。此方法避免了費時且昂貴工藝后時效熱處理，并且還提供了局部微調微觀結構的可能性，這是常規熱處理無法實現的。

PhilippKürnsteiner等人利用定向能量沉積固有的高冷卻速率和循環再加熱（即所謂的固有熱處理），對加工參數進行數字控制，從而對所得合金的微觀結構進行控制。他們發現這種固有的熱處理可以在激光增材制造鐵鎳鋁合金過程中觸發鎳鋁沉淀。他們以專為激光增材制造設計的Fe19Ni5Ti（用預合金Fe20Ni粉末與商業純Ti粉末混合得到）鋼為例，在制造過程中對納米沉淀和馬氏體相變的局部控制導致了橫跨多個長度尺度的復雜微觀結構層次，從大約100微米厚的層到納米級的沉淀物。生產出了一種由軟硬質層交替組成的材料，該材料具有1300MPa的抗拉強度和10％的伸長率，顯示出比古代大馬士革鋼更好的機械性能。這里使用的原位沉淀強化和局部微觀結構控制原理可應用于各種沉淀硬化合金和不同的增材制造工藝。

圖1增材制造Fe19Ni5Ti試樣：（a）DED過程的示意圖

我們通過直接能量沉積法（DED）制備了Fe19Ni5Ti馬氏體時效鋼時使用計算機控制沉積路徑，包括在沉積四層后暫停120秒的。在暫停期間，關閉激光并冷卻樣品，停頓在每個塊的頂部形成暗帶，該暗帶不停地連續沉積。疊加的硬度曲線顯示，暗帶比中間的四層塊硬度約高100 HV。這些暗帶，以毫米-厘米的長度為單位，代表了我們在圖1c中繪制的大馬士革鋼的分級微觀結構的最粗糙的組成部分。

圖2不同長度尺度的微觀結構表征（硬區域/帶用藍色虛線標記）

圖2顯示了由LAM生產的馬氏體時效鋼的典型顯微組織，它由鎳馬氏體基體組成，殘余奧氏體出現在枝晶間區域，因為枝晶間區域富含溶質，所以奧氏體穩定。電子背散射衍射（EBSD）表明，硬帶和較軟區域都具有相似的奧氏體分數和馬氏體形態（圖2a）。元素映射揭示了兩種不同長度尺度上Ti分布的不均勻性（圖2b，c）：（1）在熔體流動（Marangoni對流）過程中，預合金Fe20Ni粉末與Ti粉末的不完全混合導致鈦富集區的尺寸只有幾百微米，這些混合不均勻性對總相分數沒有影響；（2）鈦在凝固過程中向偏析區的微偏析導致微米級的區域富含鈦。圖2b顯示，硬區域和軟區域之間合金元素的分布或濃度沒有明顯差異。圖2c說明了Ti和Ni微偏析在穩定奧氏體中的作用，帶有EBSD圖的電子顯微照片表明，光滑、較暗的外觀區域是奧氏體。由于表面粗糙，馬氏體發出更多的二次電子，因此顯得更亮。元素映射表明，枝晶間奧氏體富集了Ti和Ni，這是違反直覺的，因為通常將Ti歸類為鋼中的鐵素體穩定元素。但是，我們使用相圖計算（CALPHAD）模擬計算了馬氏體形成的驅動力，這表明Ti富集降低了奧氏體和馬氏體之間的吉布斯能量差。因此，在該合金中，Ti用作奧氏體穩定劑。由DED期間的快速冷卻產生的這些樹枝狀和樹枝狀區域代表了圖1c中所示的分層微觀結構的中間組成部分。

圖3軟質區和硬質區馬氏體和奧氏體的APT分析

圖3a,b顯示了通過原子探針層析成像（APT）重建的材料和軟區奧氏體和馬氏體的5微米厚的薄片。僅顯示Ti原子，并且它們出現在兩個相中隨機分布。然而，在硬區域，馬氏體中出現了高密度的沉淀物（圖3c），發生了兩個連續的相變：第一，奧氏體-馬氏體相變；第二，馬氏體內部的沉淀。沉淀僅在馬氏體中發生，因為合金元素在奧氏體中的溶解度更高。對多個APT數據集進行平均，確定的沉淀物體積分數為3.50±0.51％。

圖3d中，在Ti原子圖中沉淀物由一組包含區域（含10％以上的Ti）（深綠色）的同位素組成表面突出顯示。單板狀沉淀物的成分分布圖表明該成分與η型Ni3Ti相容。這些η相析出物代表在我們的大馬士革狀鋼的設計中選擇的預期析出相，它們是最小的微觀結構成分（圖1c）。

圖4 Fe19Ni5Ti鋼試樣的拉伸性能

為了探究數字化設計的大馬士革狀微結構的拉伸性能，分別制備了沒有任何暫停（無沉淀）的樣品以及每層后暫停時間為90秒的樣品。后一種大馬士革型鋼具有分層結構，每個DED層均具有暗帶。由于在每層之后引入了暫停，而不是像以前的示例那樣在每第四層之后引入了暫停，因此暫停時間更短。圖4中的拉伸曲線顯示出屈服強度和極限抗拉強度顯著增加了大約200 MPa。有趣的是，經沉淀硬化的分層試樣不僅強度增加，延伸率也增加。

作者通過使用與分層制造技術相關聯的IHT序列的數字控制，通過增材制造可以直接原位合成分層結構的大馬士革狀金屬復合材料。通過控制交替層之間的暫停，作者構建了具有優異機械性能（1300 MPa和10％伸長率）的復合微結構，它的結構由介觀的軟區域（即沒有納米沉淀）和硬區域組成，其中的硬區域包含大量納米級沉淀。這些析出物在馬氏體轉變后的IHT過程中形成，這本身是由停頓所提供的冷卻引起的。通過專門設計用于LAM的Fe19Ni5Ti合金來實現此成就，該合金允許我們調整馬氏體轉變的起始溫度并在此過程中進行析出。

在這里，我們選擇改變各層之間的暫停時間，因為它對溫度的影響非常直觀且可測量的，可以通過對工藝參數（例如激光功率，掃描速度，外部加熱和冷卻等）或其組合來控制局部樣品溫度，這使得此處介紹的方法適用于廣泛的增材制造過程。此外，利用IHT進行原位淬火可以擴展到其他沉淀硬化合金，局部調整微觀結構和機械性能的機會為制造業提供了新的可能性。舉個例子，我們可以制造出內部柔軟堅硬的工具，并且僅對外表皮進行沉淀硬化處理，而無需進行涂層處理或表面硬化處理。

原文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3