增材頂刊《AM》：增材制造具有分層相的體素化高強(qiáng)高韌異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬材料！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造（AM）在構(gòu)建復(fù)雜幾何形狀組件方面的獨(dú)特靈活性已經(jīng)得到了很好的研究。然而，增材制造具有高復(fù)雜材料分布組件的潛力缺乏探索。為了充分利用AM的材料復(fù)雜性能力，這項(xiàng)工作通過激光定向能量沉積（LDED）處理了具有可配置空間架構(gòu)的兩種材料的逐層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（LHM）和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（VHM）。研究了VHM的微觀結(jié)構(gòu)、多尺度力學(xué)性能、變形行為和機(jī)理。在VHM中，在熔池（宏觀尺度）和熔池內(nèi)（微觀尺度）中觀察到分層異構(gòu)相分布。VHM 實(shí)現(xiàn)了 845 MPa 的抗拉強(qiáng)度和約 29% 的應(yīng)變，顯示出比 LHM 更好的機(jī)械性能。由于硬質(zhì)區(qū)域阻斷位錯(cuò)，在變形樣品中觀察到大量孿生體和應(yīng)力誘導(dǎo)的相變行為。這項(xiàng)工作證明了AM在處理復(fù)雜架構(gòu)多材料方面的能力，這突出了從本構(gòu)材料繼承優(yōu)點(diǎn)以獲得更好的性能和功能的潛力。

粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）是典型的金屬增材制造（AM）技術(shù)。他們以分層方式構(gòu)建組件，其中3D模型被切片成離散化的2D層，能量源（例如，激光，電子束或電弧）將沿著設(shè)計(jì)的刀具路徑掃描每層以形成3D零件。這種沉積方法能夠設(shè)計(jì)和制造具有高幾何和材料復(fù)雜性的組件，以獲得更好的性能和功能。PBF和DED中幾何復(fù)雜性的潛力已經(jīng)得到了很好的探索，例如（1）通過拓?fù)鋬?yōu)化處理組件以產(chǎn)生創(chuàng)新的輕量級(jí)和高性能配置;（2）制造具有垂直，或徑向格式結(jié)構(gòu)孔隙率變化的功能級(jí)晶格結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)械性能（例如，更高的強(qiáng)度/延展性）和功能（例如，生物相容性和高能量吸收）。

然而，除了幾何復(fù)雜性之外，在AM加工的金屬零件中實(shí)現(xiàn)材料復(fù)雜性的能力尚未得到很好的研究。盡管有一些關(guān)于PBF或DED將多種材料合并為一個(gè)組分的出版物，但材料配置通常是線性格式（即材料沿一個(gè)方向過渡）多材料或金屬與陶瓷的混合物以形成金屬基復(fù)合材料，如圖1所示。通過PBF和DED對(duì)多材料進(jìn)行增材制造，其主要特征在于兩種材料之間的直接鍵合，無論是否具有層間，或者兩種材料的組成沿沉積方向逐漸轉(zhuǎn)變以形成功能分級(jí)材料（FGM）。然而，這些材料不能有效地繼承兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，并且由于特定地點(diǎn)的成分/性質(zhì)而表現(xiàn)出各向異性的機(jī)械性能。

最近，通過粉末吹制激光定向能量沉積（LDED）開發(fā)的層狀多材料，如鋼和高熵合金，已經(jīng)證明了與本構(gòu)整體材料相比，在改善機(jī)械性能（例如強(qiáng)度或延展性）方面的潛力。機(jī)械性能的增加源于兩種材料在界面處的異質(zhì)變形。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了通過誘導(dǎo)更多界面來提高多材料性能的可能性，因?yàn)榻缑嬖谒苄宰冃芜^程中充當(dāng)滑動(dòng)位錯(cuò)的屏障，從而增強(qiáng)了金屬材料的屈服強(qiáng)度。此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)多材料中的“較軟”和“較硬”區(qū)域在塑性變形過程中會(huì)不均勻地變形，在較硬區(qū)域引發(fā)前向應(yīng)力，在較軟區(qū)域引發(fā)反向應(yīng)力，共同導(dǎo)致異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化（HDIS）對(duì)材料。因此，增加多材料中的界面數(shù)量對(duì)于改善其機(jī)械性能是可行的。

新加坡制造技術(shù)學(xué)院譚超林等人著重介紹了一種多功能方法，用于制造具有可控體積分?jǐn)?shù)和空間周期分布的異質(zhì)結(jié)構(gòu)多材料。因此，與大多數(shù)報(bào)道的線性格式多材料不同，這項(xiàng)工作將利用LDED空間設(shè)計(jì)和制造的獨(dú)特靈活性，通過將兩種類型的鋼（即C300馬氏體時(shí)效鋼和316 L不銹鋼）在一個(gè)部件空間配置兩種類型的鋼（即C300馬氏體時(shí)效鋼和316 L不銹鋼），從而將兩種構(gòu)成材料的優(yōu)點(diǎn)合并為一個(gè)部分，因?yàn)镃300是典型的馬氏體鋼 具有高強(qiáng)度，而316 L是典型的奧氏體鋼，具有優(yōu)異的延展性但強(qiáng)度較低。這兩種材料以體素化格式的固結(jié)導(dǎo)致分層相分布，有助于提高出色的延展性和強(qiáng)度的提高。VHM 實(shí)現(xiàn)了 845 MPa 的抗拉強(qiáng)度和約 29% 的應(yīng)變，顯示出比 LHM 更好的機(jī)械性能。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)可以刺激AM對(duì)功能組件的有前途的研究領(lǐng)域，該功能組件具有多尺度的多種材料的可配置分布，以增強(qiáng)性能和新功能，這將與現(xiàn)有的多材料和單片材料獨(dú)特和區(qū)別開來。本文以題“Additive manufacturing of voxelized heterostructured materials with hierarchical phases”發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 60422001798#fig0020

圖 1.由AM加工的單片均勻材料，金屬基復(fù)合材料（MMC）和線性形式多材料的示意圖。

圖 2. （a） C300 MS 和 （b） 316 L SS 的 SEM 形態(tài)和粒徑分布，以及 （c） MS/SS 體素化異構(gòu)材料 （VHM） 的 LDED 沉積過程。

圖 3.（a） 從 X-Z 和 X-Y 橫截面采集的拋光 MS/SS VHM 樣品的 OM 圖像，顯示高密度（Z 平行于構(gòu)建方向），以及 （b） 通過 micro-CT 分析的 VHM 中缺陷的 3D 分布（樣本數(shù)量 X × Y × Z = 4.8 × 1.3 × 2.6 mm3).

圖 4. （a） MS/SS 體素化異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 （VHM） 和 （b） MS/SS 層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 （LHM） 的 3D OM 形態(tài)。

圖 5. 沿構(gòu)建方向?qū)?MS/SS VHM 的 EBSD 和 EDS 調(diào)查。（a）帶對(duì)比圖以及（b）區(qū)分SS和MS區(qū)域的Cr元素分布圖，（c）IPF圖，（d）KAM圖，（e）相分布圖，以及（h）MS區(qū)域中顯示均勻雙相結(jié)構(gòu)的放大相分布圖。

圖 6. VHM和LHM樣品的拉伸性能。（a） VHM 和 LHM 樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及 VHM 樣品的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及加載-卸載-重載 （LUR） 曲線，（b） VHM 樣品 LUR 曲線中最后一個(gè)周期滯后回路的特寫視圖，以及 （c） 卸載-重裝滯滯循環(huán)中不同應(yīng)力的定義。

圖 7.通過對(duì)微柱和散裝樣品進(jìn)行壓縮測試，對(duì)MS/SS VHM進(jìn)行多尺度機(jī)械性能評(píng)估。（a） 測試前FIB碾磨的微柱的位置和微柱的形貌，（b）散裝VHM樣品和微柱的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及（c）和（d）試驗(yàn)后支柱1和2的掃描電鏡形態(tài)。

圖 8.對(duì)斷裂拉伸試樣的微觀結(jié)構(gòu)觀察。（a） 斷裂樣品概覽，（b） 對(duì)選定斷裂邊緣區(qū)域的放大視圖，（c） 在 SS 區(qū)域顯示大量孿生體的變形區(qū)域，（d） 變形孿生體的閉合視圖，以及 （e） MS 和 SS 接口。

圖 9. AM加工的C300 MS和VHM樣品在拉伸試驗(yàn)前后的XRD圖譜。

圖 10.拉伸試驗(yàn)后對(duì)變形的VHM樣品進(jìn)行EBSD分析。（a） EBSD掃描區(qū)域靠近斷裂邊緣的位置，（b）帶對(duì)比圖，（c）元素分布圖，（d）IPF圖，（e）相分布圖，以及（f）拉伸試驗(yàn)后斷裂樣品的KAM圖。