共聚焦显微镜解析 | 双辊铸造工艺在无钴马氏体时效钢的应用

在航空航天与精密模具领域，无钴马氏体时效钢因兼具超高强度与韧性成为热门材料，然而材料的微观结构演变与性能调控始终是技术突破的核心。光子湾科技深耕高端光学精密测量技术，正成为揭示材料相变机制的关键工具。本文将解析无钴马氏体时效钢在双辊薄带铸造中的微观演变规律，展现光子湾科技共聚焦扫描显微镜（CLSM）在材料热处理研究中的前沿应用。

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研究背景

双辊薄带铸造（TRSC）通过102?104K/s级冷却速率实现快速凝固，具减碳、节能优势，已应用于碳钢等领域，但在马氏体时效钢中研究空白。传统含钴马氏体时效钢成本高，无钴化需解析“马氏体→奥氏体” 相变机制，TRSC 的快速凝固特性与共聚焦扫描显微镜CLSM 原位观察能力为研究提供新路径。

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实验方法：CLSM 揭秘动态相变过程

双辊薄带铸造模拟器示意图

实验流程及共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）原位观察系统

材料制备：采用真空熔炼制备无钴马氏体时效钢，通过双辊模拟器制备3.5mm 厚薄带，冷却速率边缘达 2150℃/s，中心约 813℃/s，形成全板条马氏体组织，Prior 奥氏体晶粒尺寸约 200μm。

原位观察：利用共聚焦扫描显微镜对薄带热处理过程进行实时监测。加热炉通过椭球腔聚焦卤素灯热源，配合R 型热电偶实现 ±1℃温控精度，可模拟 60℃/min 空冷与 600℃/min 水淬过程，捕捉奥氏体化（1150-1300℃）、固溶（880℃）及时效（530℃）阶段的晶粒演变动态。

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实验结果

1.快速凝固特征：偏析与组织形成

薄带铸态显微结构

热力学计算表明，凝固过程中镍、钛元素因分配系数< 1 而在液相富集，钼浓度先升后降，形成枝晶间微偏析。CLSM 观察显示，薄带表面因极速冷却形成 < 5μm 亚晶粒，中心区域因冷却速率降低出现二次枝晶，整体消除宏观偏析但保留枝晶间镍、钼富集特征。

2.奥氏体化：晶粒尺寸的温度依赖性

奥氏体化原位观察

奥氏体化实验发现，保温温度≥1200℃时晶粒显著粗化。1250℃保温 250s 后，奥氏体晶粒尺寸达 224μm，接近薄带铸造原始晶粒（200μm），表明高温奥氏体化可有效复现快速凝固组织。CLSM 原位记录显示，相变初期因体积变化产生表面褶皱，随后奥氏体晶界逐渐清晰，淬火后形成板条马氏体，验证了相变动力学与晶粒遗传机制。

3.固溶处理：细晶奥氏体的形成

共聚焦激光扫描显微镜固溶过程CLSM观测

固溶处理（880℃）因加热温度较低，抑制晶粒生长，形成约 8μm 细晶奥氏体。CLSM 观察发现，枝晶间镍富集区因奥氏体自由能低而优先形核，形成 “类枝晶” 奥氏体分布，表明微偏析特征在固溶过程中持续影响组织演变。

4. 时效过程：双相结构的起源

时效处理（530℃）中，枝晶间镍、钼富集区促使马氏体逆转变形成 2-8μm 细晶奥氏体。CLSM 动态监测显示，相变初期表面平滑，保温 600s 后出现黑白交替条纹（奥氏体形成），空冷后奥氏体稳定保留，形成“马氏体 + 奥氏体”双相结构，体积分数约9.5%。

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研究结论

微观结构演变机制示意图

快速凝固遗产：薄带铸造通过 2150-813℃/s 冷却速率调控枝晶结构，消除宏观偏析但保留镍、钼微偏析，为后续相变提供化学不均质基底。

CLSM 的关键发现：高温奥氏体化可复现原始晶粒尺寸，固溶处理细化晶粒，时效过程中偏析区因奥氏体稳定元素富集形成双相结构。

工程启示：无钴马氏体时效钢的 TRSC 工艺可通过CLSM 原位优化热处理参数，实现强度 - 塑性匹配，适用于航空航天结构件、半导体精密模具等高端领域。

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光子湾3D共聚焦显微镜

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原文出处：《Phase transformation mechanism during heat treatment of Co-free maraging steel produced by twin-roll strip casting》

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