曼彻斯特大学Nat. Commun. ：高强硅相不锈钢的设计和耐磨性研究

【引言】

随着社会对环境友好型材料的需求，传统的钴基耐磨堆焊合金，常用于核领域。因为钴基耐磨堆焊合金能够满足耐磨、强度高和耐蚀的要求。但是，钴合金的价格高、制备困难，所以替代合金正在被广泛研究。本文研究了铁基的不锈钢RR2450合金中，新出现的高强相的出现，对于合金性能的影响。测试了合金的性能变化，分析了高强相的晶体信息，揭示了高强相改善合金性能的作用机理。

【成果简介】

近日，英国曼彻斯特大学的M. Preuss（通讯作者）等人研究发现，耐磨堆焊金属具有高强、耐磨和耐蚀层。这涂层促使合金可以在极端环境（如核反应器）下使用。作者在耐磨堆焊铁基合金中，发现超高强Fe-Cr-Ni硅相，命名为π-铁硅相。采用X射线断层摄影术观察这种相的原子结构。纳米硬度测试表明，π-铁硅相的硬度是周围奥氏体和铁素体相的2.5倍；压缩强度测试结果为，π-铁硅相的强度异常高，即使超过1.6 GPA也不会屈服。因此π-铁硅相不仅可以作为一种新的强度、耐磨性和耐蚀性的铁基涂层，替代较贵和危险的钴基合金，应用到核反应中，也可以促进一种新的、高性能的硅增强不锈钢材料的发展，不仅仅依赖碳的不锈钢材料。相关成果以“A high-strength silicide phase in a stainless steel alloy designed for wear-resistant applications”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1 RR2450的粉末XRD图谱

采用钴靶（λ= 1.79 Å）测试，RR2450的粉末XRD图谱：奥氏体（γ）, δ-铁素体（δ），硅相（π），M₇C₃和（Nb,Ti）CN。

图2 RR250合金典型区域的元素分析图

（a）EBSD相图；

（b）带对比图；

（c）Cr的SEM-EDS图像；

（d）Ni的SEM-EDS图像。

图3 VESTA第一性原理计算的π-铁硅相，运动细化后的原子分布图

（a）σ(ΔV) = 1.09 e/Å时，π-铁硅相，运动细化后的原子分布图；

（b）σ(ΔV) = 0.093 e/Å时，π-铁硅相，运动细化后的原子分布图；

（c）σ(ΔV) = 1.41 e/Å时，缺碳的π-铁硅相，运动细化后的原子分布图；

（d）σ(ΔV) = 0.054 e/Å时，缺碳的π-铁硅相，运动细化后的原子分布图。

图4 RR2450合金中π-铁硅相，运动细化后的结构示意图

RR2450合金中π-铁硅相，运动细化后的结构示意图。

图5 RR2450的力学性能分析

（a）RR2450合金的平均维氏硬度图；

（b）RR2450合金中，奥氏体、π-铁硅相和（Nb，Ti）CN相的中子衍射原位侧压试验的压缩弹性应变图。

图6 循环高温等静压HIP模拟中，温度和时间对相成分的影响

循环高温等静压HIP模拟中，温度和时间对相成分的影响。

图7 RR2450和5183合金的相稳定性和化学计量的关系

（a）π-铁硅相和奥氏体相的体积分数之间的关系；

（b）π-铁硅相的体积分数和铁素体体积分数的变化；

（c）Ni的含量和奥氏体的稳定性的关系图；

（d）Ni的含量和π-铁硅相的稳定性的关系图；

（e）Si的含量和π-铁硅相的稳定性的关系图；

（f）Cr的含量和π-铁硅相的体积分数的关系图。

【小结】

本文研究了钢中的高强相（π-铁硅相）。明确了π-铁硅相的晶格常数、原子位置和P2₁3空间群。采取动力学细化的方法，研究碳原子的位置、含量对π-铁硅相的影响。采用原位粉末热处理方法，分析π-铁硅相的分解温度。分析结果可知，不锈钢合金设计采用硅元素取代碳元素是可行的。硅基不锈钢材料具有高强度、耐腐蚀的特点，在未来的应用上，具有很高的潜力。

文献链接：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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