基于增材制造的高强高韧合金构筑设计新方法

来源：上科大创艺

2024年2月9日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）张振波课题组在材料领域知名期刊《材料研究快报》（Materials Research Letters）发表了题为“Heterogeneous structure architected by additive manufacturing: facile route towards strong and ductile steel” 的研究论文，针对传统合金的强度和韧性倒置问题，提出了一种基于激光粉末床熔化（laser powder bed fusion，LPBF）技术的合金构筑设计新方法，并成功用于制备具有异构组织的马氏体/铁素体钢中。该项研究技术验证了3D打印高性能结构部件的可能性，有望在核电领域广泛应用。

作为一种增材制造技术，LPBF具有极高温度梯度、极快凝固速率和复杂热历史等特点，能够实现复杂结构的精细微观组织控制，为制造具有新颖结构和卓越性能的合金提供了可能性。

研究内容与成果
近日，智造系统工程中心（CASE）的张振波课题组提出了一种创新的合金构筑理念，即通过LPBF技术在微观尺度（熔池尺度）上构筑具有异质结构的合金，并对铁素体/马氏体钢材料进行了了成功验证。利用 LPBF 过程中相邻道和相邻层之间本征热处理，在铁素体/马氏体钢（T91）中实现了熔池尺度的微观结构设计与构筑，得到了由粗大δ铁素体、细小马氏体和残余奥氏体的多尺度异质结构，并显示出优异的机械性能。与铸造和锻造的同类钢相比，LPBF制造的多相异质结构钢在强度（从727.6MPa增加到1408.6MPa）和均匀伸长率（从6.2%增加到9.3%）方面均表现出显着提高。

为了深入理解该新型结构何影响材料性能，研究人员运用课题组开发的原位HRDIC（高分辨数字图像相关技术）结合原位EBSD技术，表征材料在加载过程中的微观变形行为。结果表明，异质结构中的不同区域在塑性变形过程中逐级变现且相互作用，促进了额外的几何必要位错（GNDs）的生成，显著提高了合金的应变硬化能力，在提高强度的同时提高了合金的韧性，突破了传统强度和韧性的倒置关系。

LPBF 技术在构筑异质结构合金的尝试，表明基于LPBF 技术的微观结构设计是制备具有新颖微观组织和优异力学性能合金的可行方法。未来，研究团队将进一步利用LPBF的工艺特点，结合多尺度原位力学表征手段，探索在不同合金体系中设计构筑具有优异综合力学性能的新结构。

上海科技大学是该研究的第一完成单位，智造系统工程中心的2021级博士研究生宣宇为第一作者，张振波教授为通讯作者。

论文链接：
https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2314145

图1：LPBF T91钢的显微组织信息（a-f）

及微观结构形成机制的示意图（g，h）

图2：LPBF T91钢的优异力学性能

图3：LPBF T91 钢拉伸试验过程中的原位 EBSD 表征

图4：原位HRDIC记录的LPBF T91的微观结构应变演化