DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-026-17866-4
تاريخ النشر: 2026-03-14
المؤلف: Jeferson Trevizan Pacheco وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الملح المنصهر والعمليات الكهروكيميائية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير التغيرات التركيبية في الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، وبشكل خاص الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق 2507 (SDSS 2507)، على الخصائص الميكروهيكلية للسبيكة. تم معالجة مسحوقين من الغاز المذري من موردين مختلفين، مصنفين تحت نفس التركيب الاسمي، باستخدام تقنيات الإيداع بالطاقة الموجهة (DED) – الليزر والبلازما. تسلط الأبحاث الضوء على أن المسحوق الذي يحتوي على نسبة منخفضة من الكروم المكافئ إلى النيكل المكافئ (Cr eq /Ni eq) واجه صعوبة في تحقيق توزيع متوازن للطور بسبب وضع التصلب الفيريت-أوستنيتي، بينما فضل المسحوق الذي يحتوي على نسبة عالية من Cr eq /Ni eq وضع التصلب الفيريت بالكامل، مما أدى إلى توازن طور أكثر استقرارًا في الحالة المبنية.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن مصدر الحرارة أثر بشكل كبير على شكل الميكروهيكل، بينما حدد التركيب الكيميائي وضع التصلب وتوزيع الطور. على وجه التحديد، زادت معدل التبريد المعتدل خلال عملية البلازما-DED من محتوى الفيريت بنسبة 15% في سبيكة نسبة Cr eq /Ni eq المنخفضة، مما أدى إلى ميكروهيكل مختلط من الفيريت اللاثي والهيكلي والأوستنيت. على العكس، أدى معدل التبريد الأسرع من معالجة الليزر-DED إلى زيادة بنسبة 16% في محتوى الفيريت للمواد ذات نسبة Cr eq /Ni eq العالية، والتي أظهرت مصفوفة فيريتيك مع أوستنيت بين الحبيبات، وWidmanstätten، وأوستنيت داخل الحبيبات. تستنتج الدراسة أن معالجة الحرارة بعد الإيداع (PPHT) ضرورية لتثبيت الميكروهيكل لطبقات SDSS 2507، بغض النظر عن مصدر الحرارة المستخدم.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية التصنيع الإضافي (AM)، خاصة في سياق إنتاج المكونات من ملفات CAD ثلاثية الأبعاد. يقدم التصنيع الإضافي مزايا على طرق التصنيع التقليدية، بما في ذلك الكفاءة الزمنية والتكلفة، بالإضافة إلى تعزيز الاستدامة البيئية بسبب تقليل هدر المواد. التركيز هو على التصنيع الإضافي المعدني، وبشكل خاص الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق (SDSS) 2507، حيث يمكن أن تحدث اختلافات في المعادن بين الموردين، مما يؤثر على توازن الطور للمواد. تسلط الورقة الضوء على تأثير عمليات التصنيع الإضافي المختلفة، مثل الإيداع بالطاقة المباشرة (DED) والتقنيات المعتمدة على الليزر، على الميكروهيكل وخصائص SDSS 2507، مع التأكيد على التحديات التي تطرحها الدورات الحرارية ومعدلات التبريد.
يشير المؤلفون إلى أن معدلات التبريد المرتبطة بعمليات التصنيع الإضافي المختلفة يمكن أن تؤدي إلى تشكيلات طور غير مرغوب فيها، مما يستلزم معالجة الحرارة بعد الإيداع (PPHT) لاستعادة الخصائص الميكانيكية وتعزيز مقاومة التآكل. يُوصى بالتسخين الحلولي عند درجات حرارة تزيد عن 1050 درجة مئوية لإذابة الأطوار البينية الضارة، بينما يعد التحكم الدقيق في معدلات التبريد ضروريًا لمنع إعادة ترسيب الأطوار الضارة. تهدف الدراسة إلى استكشاف التفاعل بين معلمات المعالجة، وتركيب المواد، وظروف PPHT لتحقيق توازن طور مثالي في SDSS 2507، وبالتالي تحسين أدائها. تشمل التحقيقات تقييم المساحيق المذرة ذات نسب الكروم والنيكل المكافئة المتغيرة المعالجة من خلال طرق الإيداع بالطاقة المباشرة بالليزر والبلازما.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جدران فردية مع 12 طبقة باستخدام تقنيات الإيداع أحادي الاتجاه على قاعدة جدارية مسبقة من AISI 304 L، باستخدام طرق الإيداع بالطاقة المباشرة بالليزر (L-DED) والإيداع بالطاقة المباشرة بالقوس البلازمي (PTA-DED). كانت المواد الخام تتكون من مساحيق SDSS 2507 المذرة بالغاز مع أحجام جزيئات تتراوح من 53 إلى 150 ميكرومتر، مع اختلافات في نسب الكروم المكافئ (Cr eq) والنيكل المكافئ (Ni eq). تم قياس الكثافات الظاهرة للسبيكة عند 4.1 غم/cm³ لنسبة Cr eq/Ni eq المنخفضة و4.2 غم/cm³ للمواد ذات نسبة Cr eq/Ni eq العالية، مع معدلات تدفق Hall cup المقابلة 17.6 ثانية/50 غم و15.7 ثانية/50 غم، على التوالي. تم استخدام محاكيات Thermocalc للتنبؤ بالسلوك الحراري للمواد الخام بناءً على تركيباتها الكيميائية.
تم إجراء عمليات الإيداع باستخدام نظام صلب مع ذراع روبوتي لـ PTA-DED وماكينة CNC مزودة بالليزر ثنائي القوة العالية لـ L-DED، مع الحفاظ على درجة حرارة الطبقة البينية عند 150 درجة مئوية. تم استبعاد الطبقتين الأوليين من التحليل لتقليل تأثيرات تفاعل الركيزة. تم تطبيق معالجات الحرارة بعد الإيداع (PPHT)، حيث تم معالجة عينات نسبة Cr eq/Ni eq المنخفضة عند 1200 درجة مئوية و1300 درجة مئوية، وعينات نسبة Cr eq/Ni eq العالية عند 1100 درجة مئوية تحت ظروف تبريد متغيرة. شمل التحليل الميكروهيكلي التحضير المعدني، والميكروسكوب الضوئي، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، مع قياس محتوى الفيريت من خلال تحليل الصور لخمس عشرة صورة من الطبقات 7 و12. قدمت التحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS) بيانات تركيب كيميائي مفصلة للأطوار المحللة، مع حساب المتوسطات من ثلاث قياسات لكل طور.
نتائج
تشير النتائج إلى أن المعادن للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق (SDSS) 2507 تتأثر بشكل كبير بعوامل مختلفة خلال التصنيع الإضافي (AM)، مثل مصدر الحرارة، ومعلمات المعالجة، ومعدل التصلب، والتاريخ الحراري، وهندسة الجزء، ومعالجة الحرارة بعد الإيداع (PPHT)، والتركيب الكيميائي. من الجدير بالذكر أن سلوك التصلب للسبيكة يختلف مع نسبة الكروم المكافئ إلى النيكل المكافئ (Cr eq /Ni eq). تظهر السبيكات ذات نسبة Cr eq /Ni eq المنخفضة وضع تصلب مختلط، بينما تظهر تلك ذات نسبة Cr eq /Ni eq العالية وضع تصلب فيريتي بالكامل.
مع زيادة نسبة Cr eq /Ni eq، يتكون الميكروهيكل في نهاية التصلب بشكل أساسي من الفيريت، مع حدوث التحول إلى الأوستنيت عند درجات حرارة أقل مقارنة بالسبيكات ذات النسبة المنخفضة. يتميز هذا الاتجاه بانخفاض في الفيريت سولفوس وزيادة في محتوى الفيريت التوازني، مما يقلل بشكل جماعي من القوة الدافعة لتحول الفيريت إلى أوستنيت ويخفض درجة الحرارة التي يبدأ عندها هذا التحول. تؤكد هذه النتائج على الدور الحاسم لنسب التركيب في تحديد سلوك التصلب والميكروهيكل الناتج لـ SDSS 2507 في عمليات التصنيع الإضافي.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث تأثير معدلات التبريد والتركيب الكيميائي على الميكروهيكل للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق (SDSS) 2507 المعالج من خلال تقنيات التصنيع الإضافي المختلفة. يكشف تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن كل من الأطوار الفيريتية والأوستنيتية موجودة عبر جميع السبيكات، حيث تظهر سبيكة ذات نسبة منخفضة من الكروم المكافئ إلى النيكل المكافئ (Cr eq /Ni eq) بشكل أساسي هيكل أوستنيتي، بينما تظهر سبيكة ذات نسبة عالية من Cr eq /Ni eq توازنًا أكبر في كثافة الأطوار. تشير الدراسة إلى أن معدل التبريد يؤثر بشكل كبير على الميكروهيكل، حيث تنتج عملية الإيداع بالطاقة الموجهة بالليزر (L-DED) هياكل ميكروية أدق بسبب معدلات التصلب الأعلى مقارنةً بعملية الإيداع بالطاقة الموجهة بالقوس البلازمي (PTA-DED).
بالإضافة إلى ذلك، يُظهر معالجة الحرارة بعد الإيداع (PPHT) أنها تعزز من تجانس الميكروهيكل وتوزيع الأطوار، مما يزيد بشكل خاص من محتوى الفيريت في سبيكات نسبة Cr eq /Ni eq المنخفضة. تشير النتائج إلى أنه بينما يحدد مصدر الحرارة بشكل أساسي شكل الميكروهيكل، يلعب التركيب الكيميائي دورًا حاسمًا في تحديد أوضاع التصلب وتوزيع الأطوار. تؤكد النتائج على أهمية التحكم في كل من معدلات التبريد والتركيبات الكيميائية لتحسين الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل لـ SDSS 2507 في تطبيقات التصنيع الإضافي.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-026-17866-4
Publication Date: 2026-03-14
Author(s): Jeferson Trevizan Pacheco et al.
Primary Topic: Molten salt chemistry and electrochemical processes
Overview
This study examines the impact of compositional variations in duplex stainless steels, specifically super duplex stainless steel 2507 (SDSS 2507), on the alloy’s microstructural characteristics. Two gas-atomized powders from different suppliers, classified under the same nominal composition, were processed using directed energy deposition (DED) techniques—Laser and Plasma. The research highlights that the powder with a low chromium equivalent to nickel equivalent (Cr eq /Ni eq) ratio struggled to achieve a balanced phase distribution due to its ferritic-austenitic solidification mode, while the powder with a high Cr eq /Ni eq ratio favored a fully ferritic solidification mode, resulting in a more stable phase balance in the as-built condition.
Key findings indicate that the heat source significantly influenced microstructural morphology, while the chemical composition dictated the solidification mode and phase distribution. Specifically, a moderate cooling rate during the plasma-DED process increased ferrite content by 15% in the low Cr eq /Ni eq ratio alloy, leading to a mixed microstructure of lathy and skeletal ferrite and austenite. Conversely, a faster cooling rate from laser-DED processing resulted in a 16% increase in ferrite content for the high Cr eq /Ni eq ratio material, which exhibited a ferritic matrix with intergranular, Widmanstätten, and intragranular austenite. The study concludes that post-processing heat treatment (PPHT) is essential for stabilizing the microstructure of SDSS 2507 multilayers, regardless of the heat source used.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of Additive Manufacturing (AM), particularly in the context of producing components from 3D CAD files. AM offers advantages over traditional manufacturing methods, including time and cost efficiency, as well as enhanced environmental sustainability due to reduced material waste. The focus is on metal AM, specifically Super Duplex Stainless Steel (SDSS) 2507, where variations in metallurgy can occur among suppliers, affecting the phase balance of the material. The paper highlights the impact of different AM processes, such as Direct Energy Deposition (DED) and laser-based techniques, on the microstructure and properties of SDSS 2507, emphasizing the challenges posed by thermal cycles and cooling rates.
The authors note that the cooling rates associated with various AM processes can lead to undesirable phase formations, necessitating post-processing heat treatments (PPHT) to restore mechanical properties and enhance corrosion resistance. Solution annealing at temperatures above 1050 °C is recommended to dissolve harmful intermetallic phases, while careful control of cooling rates is essential to prevent the reprecipitation of detrimental phases. The study aims to explore the interplay between processing parameters, material composition, and PPHT conditions to achieve an optimal phase balance in SDSS 2507, thereby improving its performance. The investigation includes an assessment of atomized powders with varying chromium and nickel equivalent ratios processed through laser and plasma transferred arc DED methods.
Methods
In this study, single walls with 12 layers were fabricated using unidirectional deposition techniques on a pre-wall base of AISI 304 L, employing Plasma Transferred Arc Direct Energy Deposition (PTA-DED) and Laser Direct Energy Deposition (L-DED) methods. The feedstock comprised gas-atomized SDSS 2507 powders with particle sizes ranging from 53 to 150 μm, exhibiting variations in chromium equivalent (Cr eq) and nickel equivalent (Ni eq) ratios. The apparent densities of the alloys were measured at 4.1 g/cm³ for low Cr eq/Ni eq and 4.2 g/cm³ for high Cr eq/Ni eq materials, with corresponding Hall cup flow rates of 17.6 s/50 g and 15.7 s/50 g, respectively. Thermocalc simulations were utilized to predict the thermal behavior of the feedstock based on their chemical compositions.
The deposition processes were conducted using a hardfacing system with a robotic arm for PTA-DED and a CNC machine equipped with a high-power diode laser for L-DED, maintaining an interlayer temperature of 150 °C. The initial two layers were excluded from analysis to reduce substrate interaction effects. Post-deposition heat treatments (PPHT) were applied, with low Cr eq/Ni eq samples treated at 1200 °C and 1300 °C, and high Cr eq/Ni eq samples treated at 1100 °C under varying cooling conditions. Microstructural analysis involved metallographic preparation, optical microscopy, and X-Ray Diffraction (XRD), with ferrite content quantified through image analysis of fifteen images from layers 7 and 12. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) provided detailed chemical composition data for the analyzed phases, with averages calculated from three measurements per phase.
Results
The results indicate that the metallurgy of Super Duplex Stainless Steel (SDSS) 2507 is significantly affected by various factors during additive manufacturing (AM), such as the heat source, processing parameters, solidification rate, thermal history, part geometry, post-processing heat treatment (PPHT), and chemical composition. Notably, the solidification behavior of the alloy varies with the chromium equivalent to nickel equivalent (Cr eq /Ni eq) ratio. Alloys with a low Cr eq /Ni eq ratio exhibit a mixed solidification mode, while those with a high Cr eq /Ni eq ratio demonstrate a fully ferritic solidification mode.
As the Cr eq /Ni eq ratio increases, the microstructure at the end of solidification predominantly consists of ferrite, with the transformation to austenite occurring at lower temperatures compared to alloys with a lower ratio. This trend is characterized by a decrease in the ferrite solvus and an increase in the equilibrium ferrite content, which collectively reduce the driving force for the ferrite-to-austenite transformation and lower the temperature at which this transformation initiates. These findings underscore the critical role of compositional ratios in determining the solidification behavior and resulting microstructure of SDSS 2507 in AM processes.
Discussion
The discussion section of the research paper examines the influence of cooling rates and chemical composition on the microstructure of super duplex stainless steel (SDSS) 2507 processed through different additive manufacturing techniques. X-ray diffraction (XRD) analysis reveals that both ferrite and austenite phases are present across all alloys, with a low chromium equivalent to nickel equivalent (Cr eq /Ni eq) ratio alloy predominantly exhibiting austenitic structure, while a high Cr eq /Ni eq ratio alloy shows a more balanced phase intensity. The study indicates that the cooling rate significantly affects the microstructure, with the laser-directed energy deposition (L-DED) process yielding finer microstructures due to higher solidification rates compared to plasma-transferred arc directed energy deposition (PTA-DED).
Additionally, post-processing heat treatment (PPHT) is shown to enhance the microstructural uniformity and phase distribution, particularly increasing ferrite content in low Cr eq /Ni eq ratio alloys. The results suggest that while the heat source primarily dictates microstructural morphology, the chemical composition plays a crucial role in determining solidification modes and phase distributions. The findings underscore the importance of controlling both cooling rates and chemical compositions to optimize the mechanical properties and corrosion resistance of SDSS 2507 in additive manufacturing applications.