新加坡SIMTech丨增材制造多尺度异质结构高强钢
强度-塑性的矛盾是金属材料工程领域存在的一个长期挑战。近年来，研究发现梯度结构、异质微观组织、孪晶和分级组织结构的金属材料能够提高强度和塑性。例如，金属材料中的变形孪晶是一种重要的变形机制（不同于位错滑移原理），它导致了“孪晶诱发塑性” (TWIP效应)，同时提高了材料的强度和塑性。然而，TWIP效应只存在于有限类型的金属中。相比之下，异质结构材料中的粗晶/软相和细晶/硬相会形成“软”和“硬”不同的区域；这些异质区在材料变形过程中，形成不均匀变形，在软区形成背应力，在硬区形成前应力，它们共同导致异质变形诱导（HDI）强化效应，同时保持良好的延展性。传统方式(如轧制)制备异质结构材料，很难控制异质区的体积分数和空间分布，这可能导致显著的各向异性和机械性能的高度不确定性。增材制造作为一种颠覆性技术提供了更高的设计自由度和制造灵活性，为制备具有三维周期性分布和性能可控的异质结构材料铺平了道路。
近期，新加坡制造技术研究院毕贵军团队通过激光辅助增材制造(Laser-aided additive manufacturing, LAAM)沉积层状异质结构钢来改善材料的强度-塑性，并对其显微组织、力学性能、变形破坏机理进行了研究。LAAM将马氏体时效钢(C300 MS)和不锈钢(420 SS)在不同层中交替沉积导致宏观层次结构的形成，而Marangoni流动引起的熔池稀释/混合导致了介观尺度异质结构的形成。这些现象与观察到的沿微柱状晶界的元素偏析共同构成了多尺度异质结构。异质结构钢的强度达到1.32GPa，延伸率达7.5%，与母材马氏体时效钢(MS)相比，表现出优越的强塑性组合。强度的增加归因于异质变形引起的强化。DIC原位变形监测发现，异质结结构钢中有许多独特的变形带，可以延迟缩颈，提高塑性。这一发现证明了一种新的、潜在的提高材料性能的方法。相关研究成果以题 “Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels” 发表在国际材料顶刊Materials Research Letters上。
图1. 两种层状异质结构材料的 LAAM 过程示意图及其宏观组分分布分析。(a) 异质结构-1 和 (b) 异质结构-2 两种样品LAAM示意图, (c) 异质结构-1 和 (d) 异质结构-2 样品沿沉积方向的 OM 形貌和 EDS成分分布。
图2. 样品(异质结构-1)沿沉积方向的 OM 和 EBSD 微观组织结构研究。(a)横截面微观结构的低倍形貌, (b)和(c) 分别为(a)图中区域I和区域II放大图像, (d) EBSD 扫描区域, (e)和(f) GND 图，(g) IPF, (h) 相分布图和 (i) GND 密度分布图。
图3. 高倍EBSD和EDS界面微观组织及其演变机理分析。(a) 为图 2c 中标记区域(层间界面)的SEM形貌, (b) EBSD带对比度图像, (c) IPF, (d) 相分布图，(e) EDS 图，(f)微观组织演变机理和多尺度异质结构示意图。
图4. 层状异质结构材料的机械性能和变形行为。(a) OM 图像显示多层间的显微硬度压痕，(b) 硬度面分布图，(c) C300 MS和异质结构1和2试样的拉伸工程应力-应变曲线，(d) C300 MS和异质结构样品在加载-卸载测试过程中的真应力-应变曲, (e) DIC监测的不同阶段的应变分布图。
综上所述，增材制造提供了一种制备结构可控的异质结构材料的方法。本研究中两种材料由于层间交替沉积、Marangoni对流和元素偏析，形成了多尺度异质结构。异质结构材料与母体C300 MS材料相比，显示出更好的强度-延展性组合。强度的增加归因于异质变形诱导强化。与均匀材料不同的是，原位变形监测发现异质结构材料在变形过程中出现许多独特的变形带，从而规避局部应力集中，有助于延迟颈缩和提高伸长率。这些发现突出了一个新的研究领域和方法，即通过使用增材制造按照预先设计的空间结构成型多种材料来提高零件的综合性能。
*本文来源MRL，作者团队供稿。
文献链接：
Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels. Materials Research Letters, 2021, 9: 7, 291-299.
团队介绍
新加坡制造技术研究院(SIMTech)毕贵军博士/资深科学家带领的团队致力于激光/电弧增材制造、增减材复合制造、先进焊接等研究。团队具备系统研发、CAM软件开发、数值模拟、工艺优化、材料研发、过程监控等一体化研究能力和研发平台。目前团队共有成员35人，其中具有博士学位的科学家19人。团队近两年发表SCI一区论文20余篇，包括Materials Research Letters, Journal of Materials Science and Technology, Composites Part B, Virtual and Physical Prototyping, Additive manufacturing等优秀期刊。
