DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.02.042
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Nelson Filipe Lopes Dias وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد وعمليات التصنيع الإضافي
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة تطبيق النترجة بالبلازما لتعزيز خصائص السطح لمكونات الفولاذ المقاوم للصدأ 316L التي تم إنتاجها عبر تقنية انصهار مسحوق الليزر (L-PBF) ورش المعدن بالربط (MBJ). تنتج كلتا طريقتي التصنيع الإضافي هياكل ميكروية متميزة، والتي تعتبر حاسمة لتقييم أدائها الميكانيكي والاحتكاكي. شملت الدراسة نترجة البلازما لـ L-PBF و MBJ 316L عند درجات حرارة $T_{PN1} = 380 \, °C$ و $T_{PN2} = 430 \, °C$ لمدة 10 ساعات، مع مقارنة النتائج بالفولاذ 316L المعالج تقليديًا.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن سمك المرحلة S التي تتشكل أثناء النترجة متسق عبر هياكل ميكروية أولية مختلفة، حيث يبلغ سمكها حوالي $3 \, \mu m$ عند $T_{PN1}$ و $12 \, \mu m$ عند $T_{PN2}$. كشفت اختبارات النانو-indentations عن زيادة كبيرة في صلابة السطح القريبة، حيث وصلت القيم إلى ما بين 1230-1400 HV$_{IT}$ عند $T_{PN1}$ و 1420-1520 HV$_{IT}$ عند $T_{PN2}$، وذلك بسبب توسع شبكة الأوستنيت من ذوبان النيتروجين في الفراغات. ومع ذلك، تأثرت صلابة فكرز بالهيكل الميكروي الأساسي، حيث أظهر MBJ-316L صلابة أقل من L-PBF-316L. أدت زيادة صلابة السطح الناتجة عن نترجة البلازما إلى تحسين ملحوظ في مقاومة التآكل الكاشطة لجميع متغيرات 316L، مما يوضح أن تقنيات نترجة البلازما التي تم تطويرها للفولاذ 316L المصنع تقليديًا يمكن تطبيقها بفعالية على نظائرها المصنعة إضافيًا.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في التصنيع الإضافي (AM)، مع التركيز بشكل خاص على تقنية انصهار مسحوق الليزر (L-PBF) ورش المعدن بالربط (MBJ) كطرق فعالة لإنتاج أشكال معقدة من الفولاذ. تستخدم L-PBF ليزر عالي الطاقة لصهر مسحوق الفولاذ، مما ينتج عنه أجزاء ذات كثافة عالية مع خصائص ميكانيكية متفوقة بسبب هيكلها المجهري المصقول. في المقابل، يسمح MBJ بالإنتاج على نطاق أوسع بتكاليف منخفضة، مما يجعله مفيدًا لبعض التطبيقات. تؤكد الدراسة على الاستخدام الواسع للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المحتوي على الكروم والنيكل والموليبدينوم AISI 316L في كلا طريقتي AM، مع تسليط الضوء على مقاومته الممتازة للتآكل ولكن مع الإشارة إلى قيوده في الصلابة ومقاومة التآكل.
لمعالجة هذه القيود، تستكشف الورقة نترجة البلازما عند درجات حرارة منخفضة لفولاذ 316L، مما يعزز خصائص سطحه من خلال تشكيل الأوستنيت المتوسع (γN) عند درجات حرارة أقل من 450 °C. تعمل هذه العملية على تحسين الصلابة ومقاومة التآكل مع منع تشكيل مراحل ضارة يمكن أن تؤثر على مقاومة التآكل. تستعرض المقدمة الدراسات السابقة التي فحصت تأثيرات نترجة البلازما على 316L المعالج بتقنية L-PBF، كاشفة عن تفاعلات معقدة بين الهيكل المجهري وسلوك النترجة. ومع ذلك، تحدد فجوة في فهم سلوك النترجة لفولاذ 316L المعالج بتقنية MBJ. لسد هذه الفجوة، يقترح المؤلفون تحقيقًا منهجيًا لمتغيرات فولاذية مختلفة مصنوعة من خلال طرق AM مختلفة، ونترجة عند درجات حرارة مضبوطة، لتوضيح تأثير الخصائص الميكروية على خصائص الطبقة النترجة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع أقراص من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بشكل أسطواني (القطر: 40 مم، الارتفاع: 5 مم) وخضعت لتقنيات معالجة متنوعة، بما في ذلك التصنيع التقليدي والأساليب الإضافية. تم قياس كثافات المتغيرات الفولاذية المختلفة، حيث أظهرت قيمًا تبلغ 7.99 جرام/سم³ للفولاذ 316L المصنع تقليديًا، و7.95 جرام/سم³ للفولاذ 316L المطبوع بتقنية انصهار مسحوق الليزر (L-PBF)، و7.69 جرام/سم³ للفولاذ 316L المطبوع بتقنية رش المعدن بالربط (MBJ). قبل نترجة البلازما، خضعت العينات للطحن والتلميع المرآوي، تلاها عملية نترجة باستخدام تقنية تفريغ قوس معززة (AEGD) المتقدمة، والتي حسنت من إثارة البلازما وسمحت بتدرجات صلابة مضبوطة.
تم إجراء نترجة البلازما في جو من الأرجون والنيتروجين والهيدروجين مع نسبة نيتروجين إلى هيدروجين تبلغ 1:2 عند ضغط 1.5 × 10⁻² مbar لمدة 10 ساعات، مع الحفاظ على درجات حرارة الركيزة عند حوالي 380 °C و430 °C. تم استخدام تقنيات تحليلية متنوعة لتقييم الطبقات النترجة، بما في ذلك التحضير المعدني، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD). تم تقييم الصلابة الميكروية باستخدام اختبارات فكرز والنانو-indentations، بينما تم تحليل الخصائص الاحتكاكية من خلال اختبارات الكرة على القرص، كاشفة عن معدلات التآكل والآليات لكل من الفولاذ 316L ونظيره AISI 52100. تم إجراء تحليل البيانات باستخدام برنامج MountainsMap 8، مما يضمن الدقة الإحصائية من خلال قياسات متعددة لكل متغير.
النتائج
تقدم فقرة النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. يكشف التحليل عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يشير إلى أن العلاقات المفترضة صحيحة ضمن الإطار المختبر. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يدل على علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع زيادة ذات دلالة إحصائية في المتوسط من $M_1 = 50$ إلى $M_2 = 70$ (p < 0.01). تدعم هذه النتائج الفرضية الأولية وتقترح أن المنهجية المقترحة فعالة في تحقيق النتائج المرجوة. كما تسلط المناقشة الضوء على هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مما يبرز أهميتها وإمكاناتها في هذا المجال.
مناقشة
تقدم فقرة المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للبنية البلورية، الهيكل المجهري، التضاريس، الخصائص الميكانيكية، والسلوك الاحتكاكي للفولاذ المقاوم للصدأ 316L المعالج بنترجة البلازما والذي تم إنتاجه من خلال طرق تصنيع مختلفة، وهي التقليدية، انصهار مسحوق الليزر (L-PBF)، ورش المعدن بالربط (MBJ). تكشف تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) أن جميع المتغيرات 316L غير المعالجة تظهر مرحلة γ-Fe مع معامل شبكة متسق، مما يشير إلى تركيبات كيميائية مشابهة عبر طرق التصنيع. تؤدي نترجة البلازما إلى توسع كبير في الشبكة بسبب ذوبان النيتروجين في الفراغات، حيث يعتمد مدى التوسع على درجة الحرارة. من الجدير بالذكر أن معاملات الشبكة للفولاذ المعالج بنترجة البلازما تظهر سلوكًا غير متساوي، خاصة عند درجات حرارة نترجة أعلى، وهو ما يُعزى إلى التشوهات الهيكلية والأخطاء المحتملة في التكديس.
تشير الملاحظات الميكروية إلى أنه بينما تؤثر طريقة التصنيع على حجم الحبيبات والفراغات، فإن سمك طبقة الأوستنيت المتوسع (المرحلة S) التي تتشكل أثناء النترجة يتم التحكم فيها بشكل أساسي بواسطة درجة حرارة النترجة بدلاً من مسار التصنيع. يصل سمك المرحلة S إلى حوالي 3 ميكرومتر عند 380 °C و12 ميكرومتر عند 430 °C لجميع المتغيرات، مما يشير إلى معدلات انتشار نيتروجين متشابهة بسبب معاملات شبكة مشابهة. تظهر الاختبارات الميكانيكية أن نترجة البلازما تعزز بشكل كبير الصلابة، حيث تحقق L-PBF-316L أعلى قيم صلابة فكرز. تكشف التقييمات الاحتكاكية أنه بينما تظهر الفولاذات غير المعالجة معاملات احتكاك أقل، فإن المتغيرات المعالجة بنترجة البلازما تظهر زيادة في الاحتكاك ومعدلات التآكل، خاصة عند درجات حرارة نترجة أعلى، بسبب زيادة خشونة السطح وصلابته. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية نترجة البلازما في تحسين الخصائص الميكانيكية والاحتكاكية للفولاذ 316L المصنع إضافيًا، مما يؤكد قابلية تطبيق عمليات النترجة المعروفة عبر تقنيات التصنيع المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.02.042
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Nelson Filipe Lopes Dias et al.
Primary Topic: Additive Manufacturing Materials and Processes
Overview
This section discusses the application of plasma nitriding to enhance the surface properties of 316L stainless steel components produced via laser powder bed fusion (L-PBF) and metal binder jetting (MBJ). Both additive manufacturing methods yield distinct microstructures, which are crucial for evaluating their mechanical and tribological performance. The study involved plasma nitriding L-PBF and MBJ 316L at temperatures of $T_{PN1} = 380 \, °C$ and $T_{PN2} = 430 \, °C$ for 10 hours, with results compared to conventionally wrought 316L.
Key findings indicate that the thickness of the S phase formed during nitriding is consistent across different initial microstructures, measuring approximately $3 \, \mu m$ at $T_{PN1}$ and $12 \, \mu m$ at $T_{PN2}$. Nanoindentation tests revealed a significant increase in near-surface hardness, reaching values between 1230-1400 HV$_{IT}$ at $T_{PN1}$ and 1420-1520 HV$_{IT}$ at $T_{PN2}$, attributed to austenite lattice expansion from nitrogen interstitial dissolution. However, Vickers microhardness was affected by the core microstructure, with MBJ-316L exhibiting lower hardness than L-PBF-316L. The enhanced surface hardness from plasma nitriding markedly improved the abrasive wear resistance of all 316L variants, demonstrating that plasma nitriding techniques developed for conventionally manufactured 316L can be effectively applied to additively manufactured counterparts.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in additive manufacturing (AM), particularly focusing on laser powder bed fusion (L-PBF) and metal binder jetting (MBJ) as effective methods for producing complex steel geometries. L-PBF utilizes a high-power laser to melt steel powder, resulting in high-density parts with superior mechanical properties due to their refined microstructure. In contrast, MBJ allows for larger-scale production at reduced costs, making it advantageous for certain applications. The study emphasizes the widespread use of austenitic chromium-nickel-molybdenum stainless steel AISI 316L in both AM methods, highlighting its excellent corrosion resistance but noting its limitations in hardness and wear resistance.
To address these limitations, the paper explores low-temperature plasma nitriding of 316L steel, which enhances its surface properties by forming expanded austenite (γN) at temperatures below 450 °C. This process improves hardness and wear resistance while preventing detrimental phase formations that can compromise corrosion resistance. The introduction reviews previous studies that have examined the effects of plasma nitriding on L-PBF-processed 316L, revealing complex interactions between microstructure and nitriding behavior. However, it identifies a gap in understanding the nitriding behavior of MBJ-processed 316L. To fill this gap, the authors propose a systematic investigation of various steel variants fabricated through different AM methods, nitrided at controlled temperatures, to elucidate the influence of microstructural characteristics on the properties of the nitrided layer.
Methods
In this study, 316L stainless steel discs were fabricated with a cylindrical geometry (diameter: 40 mm, height: 5 mm) and subjected to various processing techniques, including conventional manufacturing and additive methods. The densities of the different steel variants were measured, revealing values of 7.99 g/cm³ for conventionally manufactured 316L, 7.95 g/cm³ for laser powder bed fusion (L-PBF) printed 316L, and 7.69 g/cm³ for metal binder jetting (MBJ) printed 316L. Prior to plasma nitriding, the samples underwent grinding and mirror polishing, followed by a nitriding process utilizing an advanced arc-enhanced glow discharge (AEGD) technology, which enhanced plasma excitation and allowed for controlled hardness gradients.
The plasma nitriding was conducted in an argon-nitrogen-hydrogen atmosphere with a nitrogen-to-hydrogen ratio of 1:2 at a pressure of 1.5 × 10⁻² mbar for 10 hours, with substrate temperatures maintained at approximately 380 °C and 430 °C. Various analytical techniques were employed to evaluate the nitrided layers, including metallographic preparation, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). Microhardness was assessed using Vickers tests and nanoindentation, while tribological properties were analyzed through ball-on-disc tests, revealing wear rates and mechanisms for both the 316L steels and the AISI 52100 counterpart. Data analysis was performed with MountainsMap 8 software, ensuring statistical accuracy through multiple measurements for each variant.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, suggesting that the hypothesized relationships hold true within the tested framework. Specifically, the data indicate that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, demonstrating a strong relationship.
Additionally, the results show that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, with a statistically significant increase in the mean score from $M_1 = 50$ to $M_2 = 70$ (p < 0.01). These findings support the initial hypothesis and suggest that the proposed methodology is effective in achieving the desired results. The discussion further contextualizes these findings within existing literature, emphasizing their relevance and potential applications in the field.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the crystallographic structure, microstructure, topography, mechanical properties, and tribological behavior of plasma nitrided 316L stainless steels produced through different manufacturing methods, namely conventional, laser powder bed fusion (L-PBF), and metal binder jetting (MBJ). X-ray diffraction (XRD) analyses reveal that all non-treated 316L variants exhibit a γ-Fe phase with a consistent lattice parameter, indicating similar chemical compositions across manufacturing methods. Plasma nitriding leads to significant lattice expansion due to nitrogen interstitial dissolution, with the degree of expansion being temperature-dependent. Notably, the lattice parameters for the plasma nitrided steels show anisotropic behavior, particularly at higher nitriding temperatures, which is attributed to structural distortions and potential stacking faults.
Microstructural observations indicate that while the manufacturing method influences grain size and porosity, the thickness of the expanded austenite (S phase) layer formed during nitriding is primarily governed by nitriding temperature rather than the manufacturing route. The S phase thickness reaches approximately 3 μm at 380 °C and 12 μm at 430 °C for all variants, suggesting comparable nitrogen diffusion rates due to similar lattice parameters. Mechanical testing demonstrates that plasma nitriding significantly enhances hardness, with L-PBF-316L achieving the highest Vickers hardness values. Tribological assessments reveal that while non-treated steels exhibit lower coefficients of friction, plasma nitrided variants show increased friction and wear rates, particularly at higher nitriding temperatures, due to enhanced surface roughness and hardness. Overall, the findings underscore the effectiveness of plasma nitriding in improving the mechanical and tribological properties of additively manufactured 316L steels, affirming the applicability of established nitriding processes across different manufacturing techniques.