新加坡制造技術研究院畢貴軍團隊《MRL》：增材制造異質結構高強鋼

第一作者：譚超林?博士/科學家

通訊作者：畢貴軍?博士/資深科學家，周友翔?博士/科學家

通訊單位：新加坡制造技術研究院，新加坡科技研究局

文獻鏈接：

Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels. Materials Research Letters, 2021, 9, 291-299. (https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1904299)

背景介紹

強度-塑性的矛盾是金屬材料工程領域存在的一個長期挑戰。近年來，研究發現梯度結構、異質微觀組織、孿晶和分級組織結構的金屬材料能夠提高強度和塑性。例如，金屬材料中的變形孿晶是一種重要的變形機制（不同于位錯滑移原理），它導致了“孿晶誘發塑性” (TWIP效應)，同時提高了材料的強度和塑性。然而，TWIP效應只存在于有限類型的金屬中。相比之下，異質結構材料中的粗晶/軟相和細晶/硬相會形成“軟”和“硬”不同的區域；這些異質區在材料變形過程中，形成不均勻變形，在軟區形成背應力，在硬區形成前應力，它們共同導致異質變形誘導（HDI）強化效應，同時保持良好的延展性。傳統方式(如軋制)制備異質結構材料，很難控制異質區的體積分數和空間分布，這可能導致顯著的各向異性和機械性能的高度不確定性。增材制造作為一種顛覆性技術提供了更高的設計自由度和制造靈活性，為制備具有三維周期性分布和性能可控的異質結構材料鋪平了道路。

?成果簡介

近期，新加坡制造技術研究院研究畢貴軍團隊通過激光輔助增材制造(Laser-aided?additive?manufacturing, LAAM)沉積層狀異質結構鋼來改善材料的強度-塑性，并對其顯微組織、力學性能、變形破壞機理進行了研究。LAAM將馬氏體時效鋼(C300 MS)和不銹鋼(420?SS)在不同層中交替沉積導致宏觀層次結構的形成，而Marangoni流動引起的熔池稀釋/混合導致了介觀尺度異質結構的形成。這些現象與觀察到的沿微柱狀晶界的元素偏析共同構成了多尺度異質結構。異質結構鋼的強度達到1.32GPa，延伸率達7.5%，與母材馬氏體時效鋼(MS)相比，表現出優越的強塑性組合。強度的增加歸因于異質變形引起的強化。DIC原位變形監測發現，異質結結構鋼中有許多獨特的變形帶，可以延遲縮頸，提高塑性。這一發現證明了一種新的、潛在的提高材料性能的方法。相關研究成果以題“Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels” 發表在國際材料頂刊Materials Research Letters上。https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1904299?

圖文導讀

圖1 兩種層狀異質結構材料的 LAAM 過程示意圖及其宏觀組分分布分析。

(a) 異質結構-1 和 (b) 異質結構-2 兩種樣品LAAM示意圖,?(c) 異質結構-1 和 (d) 異質結構-2 樣品沿沉積方向的 OM 形貌和 EDS成分分布。

圖2?樣品(異質結構-1)沿沉積方向的 OM 和 EBSD 微觀組織結構研究。

(a)橫截面微觀結構的低倍形貌,?(b)和(c) 分別為(a)圖中區域I和區域II放大圖像,?(d) EBSD 掃描區域,?(e)和(f) GND 圖，(g) IPF, (h) 相分布圖和 (i) GND 密度分布圖。?

圖3 高倍EBSD和EDS界面微觀組織及其演變機理分析。

(a) 為圖 2c 中標記區域(層間界面)的SEM形貌,?(b) EBSD帶對比度圖像,?(c) IPF,?(d) 相分布圖，(e) EDS 圖，(f)微觀組織演變機理和多尺度異質結構示意圖。

圖4?層狀異質結構材料的機械性能和變形行為。

(a) OM 圖像顯示多層間的顯微硬度壓痕，(b) 硬度面分布圖，(c) C300 MS和異質結構1和2試樣的拉伸工程應力-應變曲線，(d) C300 MS和異質結構樣品在加載-卸載測試過程中的真應力-應變曲,?(e) DIC監測的不同階段的應變分布圖。

結論

綜上所述，增材制造提供了一種制備結構可控的異質結構材料的方法。本研究中兩種材料由于層間交替沉積、Marangoni對流和元素偏析，形成了多尺度異質結構。異質結構材料與母體C300 MS材料相比，顯示出更好的強度-延展性組合。強度的增加歸因于異質變形誘導強化。與均勻材料不同的是，原位變形監測發現異質結構材料在變形過程中出現許多獨特的變形帶，從而規避局部應力集中，有助于延遲頸縮和提高伸長率。這些發現突出了一個新的研究領域和方法，即通過使用增材制造按照預先設計的空間結構成型多種材料來提高零件的綜合性能。

團隊介紹

新加坡制造技術研究院(SIMTech)畢貴軍博士/資深科學家帶領的團隊致力于激光/電弧增材制造、增減材復合制造、先進焊接等研究。團隊具備系統研發、CAM軟件開發、數值模擬、工藝優化、材料研發、過程監控等一體化研究能力和研發平臺。目前團隊共有成員35人，其中具有博士學位的科學家19人。團隊近兩年發表SCI一區論文20余篇，包括Materials Research Letters, ?Journal of Materials Science and Technology, Composites Part B,?Virtual and Physical Prototyping, Additive?manufacturing等優秀期刊。

*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。