Comparative Boriding Behavior of Conventionally Manufactured and Additively Manufactured AISI 316L Stainless Steel
这项研究表明，虽然增材制造的 AISI 316L 不锈钢在 900°C 时由于元素偏析屏障最初会阻碍硼化，但在 1100°C 时，高位错密度和细胞结构起到了短路扩散路径的作用，在显著加速 Fe2B 层生长的同时，还触发了包括碳化物形成和 相形核在内的复杂微观结构转变。
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金属通常被认为是静态、僵硬的材料，但当受到剧烈热量和化学反应的影响时，它们会以令人惊讶的方式发生转变。其中一种转变是硼化（boriding），这是一个将硼原子驱动进入金属深层的过程，从而创造出一个极其坚硬、耐磨的外壳。这项技术对于航空航天和医学等行业至关重要，在这些领域，零件必须在不失效的情况下承受极端的摩擦和腐蚀。几十年来，工程师们已经掌握了在传统金属上的这一工艺，这些金属是通过熔化并将其轧制成板或棒材而制成的。然而，一种被称为增材制造（通常称为3D打印）的新方法，是通过细小的粉末逐层构建金属零件。由于这种打印过程使金属冷却得非常迅速，所得零件的内部结构与传统的对应物截然不同，其特征是具有微小的、有组织的细胞结构，而非均匀的晶粒。科学家们面临的一个重大问题是，这两种类型的金属——一种是用旧方法制造的，另一种是用新方法制造的——是否会对同样的严苛化学处理做出相同的反应，或者它们的隐藏内部结构是否会导致完全不同的结果。
研究人员通过取两份常见的AISI 316L不锈钢样本并对其进行硼化处理，试图回答这个问题。其中一个样本是使用传统的轧制方法制造的，而另一个则是使用激光逐层熔化并融合金属粉末制造的。他们将这两个样本置于含有富硼化学物质的固体粉末浴中，并处于两个不同的温度下：中等的900摄氏度和极端的1100摄氏度。目标是观察硼如何渗透表面以及会形成什么样的保护层。在较低温度下，结果遵循一种可预测的模式。传统钢材在表面形成了更厚、更均匀的硼化合物层。相比之下，3D打印的钢材则难以让硼进入。其制造过程中的快速冷却将少量的合金元素（如铬、镍和钼）困在了其内部细胞的边界处。这些被困住的元素起到了盾牌的作用，阻挡了硼原子，导致打印金属上的保护层比传统金属薄得多。
然而，当温度升高到1100摄氏度的极端高温时，情况发生了戏剧性的变化。剧烈的热量压倒了在较低温度下保护3D打印钢材的屏障。打印金属并没有形成简单的、均匀的涂层，而是形成了一种混乱且复杂的表面架构。高温将打印金属内部的微小缺陷和边界变成了硼原子的“超级高速公路”，允许它们冲入材料深处。这导致铁硼化物层的平均深度达到了144.6微米，远超传统钢材的厚度。然而，这种快速生长是有代价的。剧烈的高温导致表面部分熔化并以一种独特的方式重新形成，创造出一种由硬质硼化物晶体和新的碳化物形成的混合物。该过程还引发了一场连锁反应：被入侵的硼挤出的碳原子与铬结合，在晶界处形成了脆性网络。这使得金属容易受到一种被称为“敏化”的特定弱点影响，即材料变得容易出现裂纹并形成脆弱、不理想的相。
研究表明，虽然3D打印金属可以被制成硬质涂层，但该过程对温度的敏感程度比此前理解的要高得多。在中等热量下，打印金属独特的内部结构实际上会阻碍保护层的形成。但在极端热量下，同样的结构又允许快速、不受控制的渗透，从而产生一层厚实但化学性质复杂且可能脆弱的表面。研究人员发现，3D打印的钢材不仅仅是形成了一个简单的屏蔽层；它经历了一系列内部重组，创造了传统钢材中不存在的新型晶体和熔融区域。这些发现表明，工程师不能简单地将标准的热处理应用于3D打印部件。他们必须仔细管理温度，以避免触发这些可能损害部件完整性的复杂、多层反应。通过了解这些打印金属在极端条件下的确切行为，科学家现在可以更好地预测如何保护它们，从而确保下一代用于关键机械的3D打印组件既坚硬又耐用。
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