基于增材制造的高強(qiáng)高韌合金構(gòu)筑設(shè)計(jì)新方法

來源：上科大創(chuàng)藝

2024年2月9日，上�？萍即髮W(xué)創(chuàng)意與藝術(shù)學(xué)院智造系統(tǒng)工程中心（CASE）張振波課題組在材料領(lǐng)域知名期刊《材料研究快報(bào)》（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(duì)傳統(tǒng)合金的強(qiáng)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(shù)的合金構(gòu)筑設(shè)計(jì)新方法，并成功用于制備具有異構(gòu)組織的馬氏體/鐵素體鋼中。該項(xiàng)研究技術(shù)驗(yàn)證了3D打印高性能結(jié)構(gòu)部件的可能性，有望在核電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

作為一種增材制造技術(shù)，LPBF具有極高溫度梯度、極快凝固速率和復(fù)雜熱歷史等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)微觀組織控制，為制造具有新穎結(jié)構(gòu)和卓越性能的合金提供了可能性。

研究?jī)?nèi)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(gòu)筑理念，即通過LPBF技術(shù)在微觀尺度（熔池尺度）上構(gòu)筑具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合金，并對(duì)鐵素體/馬氏體鋼材料進(jìn)行了了成功驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了熔池尺度的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)筑，得到了由粗大δ鐵素體、細(xì)小馬氏體和殘余奧氏體的多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能。與鑄造和鍛造的同類鋼相比，LPBF制造的多相異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼在強(qiáng)度（從727.6MPa增加到1408.6MPa）和均勻伸長(zhǎng)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(jié)構(gòu)何影響材料性能，研究人員運(yùn)用課題組開發(fā)的原位HRDIC（高分辨數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)）結(jié)合原位EBSD技術(shù)，表征材料在加載過程中的微觀變形行為。結(jié)果表明，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的不同區(qū)域在塑性變形過程中逐級(jí)變現(xiàn)且相互作用，促進(jìn)了額外的幾何必要位錯(cuò)（GNDs）的生成，顯著提高了合金的應(yīng)變硬化能力，在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高了合金的韌性，突破了傳統(tǒng)強(qiáng)度和韌性的倒置關(guān)系。

LPBF 技術(shù)在構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金的嘗試，表明基于LPBF 技術(shù)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制備具有新穎微觀組織和優(yōu)異力學(xué)性能合金的可行方法。未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步利用LPBF的工藝特點(diǎn)，結(jié)合多尺度原位力學(xué)表征手段，探索在不同合金體系中設(shè)計(jì)構(gòu)筑具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的新結(jié)構(gòu)。

上�？萍即髮W(xué)是該研究的第一完成單位，智造系統(tǒng)工程中心的2021級(jí)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(jié)構(gòu)形成機(jī)制的示意圖（g，h）

圖2：LPBF T91鋼的優(yōu)異力學(xué)性能

圖3：LPBF T91 鋼拉伸試驗(yàn)過程中的原位 EBSD 表征

圖4：原位HRDIC記錄的LPBF T91的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)變演化