基于增材制造的高強高韌合金構筑設計新方法

來源：上科大創(chuàng)藝

2024年2月9日，上�？萍即髮W創(chuàng)意與藝術學院智造系統(tǒng)工程中心（CASE）張振波課題組在材料領域知名期刊《材料研究快報》（Materials Research Letters）發(fā)表了題為“Heterogeneous structure architected by additive manufacturing: facile route towards strong and ductile steel” 的研究論文，針對傳統(tǒng)合金的強度和韌性倒置問題，提出了一種基于激光粉末床熔化（laser powder bed fusion，LPBF）技術的合金構筑設計新方法，并成功用于制備具有異構組織的馬氏體/鐵素體鋼中。該項研究技術驗證了3D打印高性能結構部件的可能性，有望在核電領域廣泛應用。

作為一種增材制造技術，LPBF具有極高溫度梯度、極快凝固速率和復雜熱歷史等特點，能夠實現(xiàn)復雜結構的精細微觀組織控制，為制造具有新穎結構和卓越性能的合金提供了可能性。

研究內容與成果
近日，智造系統(tǒng)工程中心（CASE）的張振波課題組提出了一種創(chuàng)新的合金構筑理念，即通過LPBF技術在微觀尺度（熔池尺度）上構筑具有異質結構的合金，并對鐵素體/馬氏體鋼材料進行了了成功驗證。利用 LPBF 過程中相鄰道和相鄰層之間本征熱處理，在鐵素體/馬氏體鋼（T91）中實現(xiàn)了熔池尺度的微觀結構設計與構筑，得到了由粗大δ鐵素體、細小馬氏體和殘余奧氏體的多尺度異質結構，并顯示出優(yōu)異的機械性能。與鑄造和鍛造的同類鋼相比，LPBF制造的多相異質結構鋼在強度（從727.6MPa增加到1408.6MPa）和均勻伸長率（從6.2%增加到9.3%）方面均表現(xiàn)出顯著提高。

為了深入理解該新型結構何影響材料性能，研究人員運用課題組開發(fā)的原位HRDIC（高分辨數(shù)字圖像相關技術）結合原位EBSD技術，表征材料在加載過程中的微觀變形行為。結果表明，異質結構中的不同區(qū)域在塑性變形過程中逐級變現(xiàn)且相互作用，促進了額外的幾何必要位錯（GNDs）的生成，顯著提高了合金的應變硬化能力，在提高強度的同時提高了合金的韌性，突破了傳統(tǒng)強度和韌性的倒置關系。

LPBF 技術在構筑異質結構合金的嘗試，表明基于LPBF 技術的微觀結構設計是制備具有新穎微觀組織和優(yōu)異力學性能合金的可行方法。未來，研究團隊將進一步利用LPBF的工藝特點，結合多尺度原位力學表征手段，探索在不同合金體系中設計構筑具有優(yōu)異綜合力學性能的新結構。

上�？萍即髮W是該研究的第一完成單位，智造系統(tǒng)工程中心的2021級博士研究生宣宇為第一作者，張振波教授為通訊作者。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2314145

圖1：LPBF T91鋼的顯微組織信息（a-f）

及微觀結構形成機制的示意圖（g，h）

圖2：LPBF T91鋼的優(yōu)異力學性能

圖3：LPBF T91 鋼拉伸試驗過程中的原位 EBSD 表征

圖4：原位HRDIC記錄的LPBF T91的微觀結構應變演化