分享：激光增材制造異構(gòu)金屬材料的研究進(jìn)展

0.   引言

航空航天、交通運(yùn)輸?shù)戎卮蠊こ填I(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了高性能、高可靠性的迫切需求。強(qiáng)度和韌性作為材料最核心的力學(xué)性能指標(biāo)，決定著其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)；強(qiáng)韌均衡是工程結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的永恒主題。異構(gòu)金屬材料是一種新型材料，具有空間結(jié)構(gòu)和成分不均勻分布的特點(diǎn)。通過構(gòu)筑金屬異構(gòu)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌均衡的材料設(shè)計(jì)和制造方法，已成為機(jī)械工程和材料科學(xué)等領(lǐng)域的前沿方向與研究熱點(diǎn)。異構(gòu)金屬材料非均質(zhì)區(qū)域之間的材料特性不同，非均質(zhì)區(qū)域的尺寸從微米級(jí)到毫米級(jí)不等，幾何形狀也可調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)及功能多樣性的特點(diǎn)[1]。相比傳統(tǒng)制備及加工技術(shù)，激光增材制造技術(shù)具有產(chǎn)品制造周期短、成形件綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在制備異構(gòu)金屬材料方面更加靈活快捷，并且可以根據(jù)特定部位進(jìn)行定制化加工，通過調(diào)控顯微組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性同步提高。采用增材制造技術(shù)制備高強(qiáng)度和高延展性異構(gòu)金屬零件已成為目前的研究熱點(diǎn)[2-7]。 

國(guó)外關(guān)于激光增材制造異構(gòu)金屬材料的研究多集中于基礎(chǔ)理論研究、材料設(shè)計(jì)和制造工藝優(yōu)化，國(guó)內(nèi)則更加注重應(yīng)用導(dǎo)向，例如在航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域的具體應(yīng)用。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者簡(jiǎn)要介紹了異構(gòu)組織及其強(qiáng)韌性協(xié)同機(jī)理，詳細(xì)闡述了5種典型結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料的激光增材制造方法、組織演變以及性能優(yōu)化，歸納總結(jié)了不同異構(gòu)金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了目前存在的問題，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。 

1.   異構(gòu)組織及強(qiáng)韌性協(xié)同機(jī)理

從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，異構(gòu)組織一般由軟相微米級(jí)再結(jié)晶組織和硬相超細(xì)晶、納米晶或納米孿晶組織組成[8]。在塑性變形過程中，異構(gòu)組織不同相區(qū)變形不均勻，軟相產(chǎn)生后向應(yīng)力，硬相產(chǎn)生前向應(yīng)力，兩者共同產(chǎn)生了異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化效應(yīng)，能夠顯著提高屈服強(qiáng)度，增強(qiáng)應(yīng)變硬化效果；同時(shí)，異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化效應(yīng)可以與常規(guī)位錯(cuò)硬化疊加，兩者共同作用，有助于維持甚至提高延展性，進(jìn)一步提升材料的綜合性能[9]。該強(qiáng)化效應(yīng)的機(jī)制在于利用材料內(nèi)部不同區(qū)域變形行為的差異，形成高密度位錯(cuò)、納米孿晶或相變結(jié)構(gòu)，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并提高強(qiáng)度和韌性。研究[7]發(fā)現(xiàn)，異構(gòu)金屬材料的拉伸變形可以分為以下三個(gè)階段： 

第一階段，軟相和硬相均經(jīng)歷彈性變形，與均質(zhì)材料的變形過程類似。 

第二階段，軟相開始發(fā)生位錯(cuò)滑移，產(chǎn)生塑性應(yīng)變，而硬相保持彈性，由此產(chǎn)生了力學(xué)不相容性。軟相無(wú)法自由進(jìn)行塑性變形，為了保持連續(xù)的應(yīng)變，軟相需與相鄰的硬相共同變形，這導(dǎo)致相界面附近的軟域中存在塑性應(yīng)變梯度。這種應(yīng)變梯度需要通過幾何上必要的位錯(cuò)進(jìn)行調(diào)整，從而使軟相在整體上顯得更加堅(jiān)固。該種協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)可以提高材料整體的屈服強(qiáng)度[10]。理想情況下，若軟相被硬相完全包圍，軟相將無(wú)法按照塑性變形需求改變形狀，直到硬相也開始發(fā)生塑性變形；幾何上必要的位錯(cuò)將在軟相的相邊界處堆積，但無(wú)法穿越域邊界，從而形成高背應(yīng)力，使得軟相具有幾乎與硬相相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，導(dǎo)致整體的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于通過混合規(guī)則預(yù)測(cè)的值。 

第三階段，軟相和硬相均經(jīng)歷塑性變形，但軟相承受應(yīng)變的能力明顯高于硬相。當(dāng)相鄰的相發(fā)生不均勻的塑性應(yīng)變時(shí)，在軟相和硬相的相邊界附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變梯度，這些應(yīng)變梯度隨應(yīng)變?cè)黾佣龃?。不均勻的塑性?yīng)變分布會(huì)導(dǎo)致背應(yīng)力加工硬化，通過產(chǎn)生附加的內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)來阻止材料在拉伸過程中過早出現(xiàn)頸縮。背應(yīng)力加工硬化有助于提高延展性，并使材料在承受高應(yīng)力時(shí)仍能保持較好的完整性，展現(xiàn)出非凡的加工硬化特性。這是異構(gòu)金屬材料在塑性變形過程中能夠保持優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵[11]。 

2.   異構(gòu)金屬材料的分類與制備

根據(jù)微觀調(diào)控方式，可以將異構(gòu)金屬材料分為雙峰結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、雙相結(jié)構(gòu)5種。下面具體介紹不同種異構(gòu)金屬材料的特點(diǎn)及其增材制造方法。 

2.1   雙峰結(jié)構(gòu)

雙峰結(jié)構(gòu)（BS）是指材料的顯微組織呈現(xiàn)出兩種晶粒尺寸分布的特點(diǎn)，即晶粒尺寸分布存在兩個(gè)高斯對(duì)稱峰[12]。MA等[13]研究發(fā)現(xiàn)：粗柱狀晶區(qū)和細(xì)晶粒區(qū)交替分布的雙峰結(jié)構(gòu)鋁合金異構(gòu)材料的相對(duì)密度達(dá)到99.7%；合金中的粗晶?？梢匀菁{更多位錯(cuò)，提高延展性，延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到11.2%，合金在其內(nèi)部不易變形的細(xì)晶粒和晶界的作用下，獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度達(dá)到（362±7）MPa。WANG等[14]研究發(fā)現(xiàn)，針狀α´馬氏體和退火產(chǎn)生的等軸α晶粒組成的雙峰結(jié)構(gòu)純鈦異構(gòu)材料同時(shí)具有良好的抗拉強(qiáng)度（850 MPa）和斷后伸長(zhǎng)率（35%），這是因?yàn)殡p峰結(jié)構(gòu)中的馬氏體提供了高強(qiáng)度，等軸α晶粒則改善了塑性。 

向合金中引入其他元素或化合物，是制備雙峰結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料的一種方法。PATIL等[15]采用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）成功制備了TiB2增強(qiáng)Ti6Al4V合金復(fù)合材料，由于TiB2分解形成的TiB減小了Ti6Al4V合金中α´馬氏體的寬度和長(zhǎng)度，合金顯微組織由α´馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sα和片層狀α晶粒共存的雙峰結(jié)構(gòu)；隨著TiB2添加量增加，馬氏體板條尺寸逐漸減小，材料整體的硬度和耐磨性能逐漸提高。GUO等[16]采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)制備了Al-0.88Er-0.78Zr合金，鉺的添加顯著細(xì)化了晶粒尺寸并形成熔池邊界處細(xì)小等軸晶與熔池中心處粗大柱狀晶的雙峰結(jié)構(gòu)，合金硬度達(dá)到（89.24±3.77） HV。另外，改變激光掃描策略也會(huì)對(duì)成形件的顯微組織產(chǎn)生影響，形成不均勻的結(jié)構(gòu)。WAN等[17]研究發(fā)現(xiàn)：激光選區(qū)熔化（SLM）層間無(wú)旋轉(zhuǎn)和層間旋轉(zhuǎn)90°雙向掃描下，分別產(chǎn)生鎳基合金雙峰晶粒結(jié)構(gòu)和定向柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。XU等[18]研究了不同掃描策略（層間旋轉(zhuǎn)分別為0°，67°，90°）對(duì)SLM制備鎳基合金的開裂抑制行為的影響，發(fā)現(xiàn)層間旋轉(zhuǎn)67°時(shí)獲得了等軸晶與柱狀晶的雙峰結(jié)構(gòu)，且具有強(qiáng)度與延展性的優(yōu)異組合，屈服強(qiáng)度達(dá)到（1 049.4±21.1） MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到（1 270.2±27.3） MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到21.1%±0.8%。 

雙峰結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料雖然表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性，但是由于其硬相和軟相在金屬材料中隨機(jī)分布，背應(yīng)力難以最大化，即綜合性能難以進(jìn)一步提升，因此雙峰結(jié)構(gòu)在性能調(diào)控方面的效果是相對(duì)有限的。 

2.2   諧波結(jié)構(gòu)

諧波結(jié)構(gòu)（HS）是一種新型結(jié)構(gòu)，最早由Sekiguchi提出，是指在空間結(jié)構(gòu)上軟相微米級(jí)晶粒（“核”區(qū)域）被硬相超細(xì)晶晶粒（“殼”區(qū)域）包裹，“殼”呈現(xiàn)連續(xù)均勻網(wǎng)格狀分布的一種結(jié)構(gòu)。諧波結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料同時(shí)表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高塑性，其性能隨“殼核”晶粒尺寸、“殼”含量和網(wǎng)格尺寸等諧波結(jié)構(gòu)特性的變化而變化。“殼”晶粒細(xì)化和“殼”含量增加可以提高材料強(qiáng)度，但是當(dāng)“殼”的體積分?jǐn)?shù)超過50%時(shí)，諧波結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率將趨向于降低[19]。ORLOV等[20]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)的硬相超細(xì)晶區(qū)域占比對(duì)諧波結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能具有顯著影響，當(dāng)超細(xì)晶占比（體積分?jǐn)?shù)）在40%時(shí)，材料表現(xiàn)出了最優(yōu)的強(qiáng)度-塑性組合。 

諧波結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于純鈦、純銅、Ti6Al4V合金、316L不銹鋼以及Co28Cr6Mo合金[20]等眾多金屬材料中，相比傳統(tǒng)均質(zhì)材料，異構(gòu)材料的強(qiáng)塑性得到顯著改善。通常，諧波結(jié)構(gòu)難以通過單一激光增材制造技術(shù)制備，多采用激光增材制造與傳統(tǒng)冷熱加工相結(jié)合的方法制備。AMANOV[21]采用SLM與熱處理相結(jié)合的方法，成功制備了具有優(yōu)異性能的諧波結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料。 

2.3   層狀結(jié)構(gòu)

層狀結(jié)構(gòu)包括單金屬層狀和多金屬?gòu)?fù)合層狀異構(gòu)兩種類型。單金屬層狀異構(gòu)金屬材料由軟相微米再結(jié)晶組織和硬相超細(xì)晶/納米晶/納米孿晶組織共同構(gòu)成，軟相呈層狀聚集且被硬相牢牢包裹著，在空間尺度上展現(xiàn)出層狀分布的特征；多金屬?gòu)?fù)合層狀異構(gòu)由兩種或兩種以上金屬通過一定方法相互堆疊連接而成，材料組織同樣由軟相粗大再結(jié)晶和硬相細(xì)小晶粒構(gòu)成，軟相和硬相在空間尺度上具有層狀分布的特征。 

XU等[22]采用定向能量沉積（DED）技術(shù)，分層送進(jìn)316L和17-4PH不銹鋼粉末，制備了316L/17-4PH不銹鋼層狀交替異構(gòu)材料，該層狀異構(gòu)金屬材料兼具高強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為576.5 MPa）與高延展性（斷后伸長(zhǎng)率為35.5%），這歸因于材料內(nèi)部的多重塑性響應(yīng)。316L/17-4PH層狀異構(gòu)金屬材料內(nèi)部由馬氏體和奧氏體兩種性能截然不同的組織構(gòu)成，受力時(shí)易在相邊界處產(chǎn)生應(yīng)變分配，導(dǎo)致馬氏體中應(yīng)力集中減少，局部頸縮延遲，多個(gè)局部頸縮的延遲抑制了應(yīng)變的擴(kuò)展，延緩了整體結(jié)構(gòu)的宏觀頸縮。TAN等[23]采用激光增材制造制備了AISI420不銹鋼/C300馬氏體時(shí)效鋼層狀異構(gòu)金屬材料，該材料抗拉強(qiáng)度高達(dá)1.32 GPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到7.5%；高強(qiáng)度歸因于異質(zhì)變形引起的強(qiáng)化，高延展性歸因于獨(dú)特變形帶對(duì)頸縮的延遲。上述研究均是在平行于材料界面的拉伸載荷下進(jìn)行的，但是層狀異構(gòu)金屬材料的力學(xué)行為存在各向異性，如何評(píng)估各向異性力學(xué)性能以及如何通過定制多種材料的沉積模式來最小化各向異性效應(yīng)才是關(guān)鍵所在。LIU等[24]采用激光增材制造制備了AISI420不銹鋼/C300馬氏體時(shí)效鋼異構(gòu)金屬材料，發(fā)現(xiàn)其整體拉伸性能較好，各向異性不太明顯，且片層厚度對(duì)異構(gòu)金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能有顯著影響，當(dāng)片層厚度為1.5 mm時(shí)，試樣具有約1.6 GPa的高抗拉強(qiáng)度和8.1%的斷后伸長(zhǎng)率。 

層狀結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料通過將兩種或者多種金屬在特定的工藝下連接在一起，形成了明晰的材料界面，相的數(shù)量相比其他異構(gòu)金屬材料更為可控，并且層狀結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料能充分利用背應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制，在綜合性能調(diào)控方面具有更高的潛力。 

2.4   梯度結(jié)構(gòu)

梯度結(jié)構(gòu)的成分或晶體結(jié)構(gòu)沿一個(gè)或者多個(gè)方向在空間尺度上呈現(xiàn)梯度變化，其性能和功能也會(huì)隨之變化，包括隨著邊界的存在逐漸變化和隨著位置的不同逐漸變化兩種類型[24]。 

采用激光增材制造技術(shù)可以制備多種梯度結(jié)構(gòu)材料。SLM容易制備成分沿垂直于沉積層方向發(fā)生變化的梯度異構(gòu)金屬材料；DED可以制備出成分和尺寸沿多個(gè)方向變化的梯度異構(gòu)金屬材料。NIENDORF等[25]在400，1 000 W激光功率下采用SLM對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行加工，結(jié)果表明：400 W激光功率下加工位置為相對(duì)細(xì)小晶粒，其屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為580 MPa，20%；1 000 W激光功率下加工位置為粗大柱狀晶，其屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為400 MPa，34%；400，1 000 W激光功率結(jié)合加工位置出現(xiàn)了明顯的微米級(jí)晶粒和納米級(jí)晶粒分區(qū)現(xiàn)象，這種特殊的組織分布使成形件顯示出了明顯的力學(xué)性能局部差異；拉伸變形過程中，1 000 W激光功率SLM試樣的加工位置首先屈服變形然后再延伸到其余位置。CHOY等[26]采用SLM制備了具有不同密度和支柱直徑的立方體晶格和蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的梯度異構(gòu)鈦合金材料，結(jié)果表明：相比均勻支柱晶格結(jié)構(gòu)材料，梯度異構(gòu)鈦合金具有更高的強(qiáng)度且其局部變形和逐漸失效是可預(yù)測(cè)的；此外，蜂窩梯度異構(gòu)鈦合金比立方梯度異構(gòu)鈦合金更節(jié)省空間，強(qiáng)度更大。SCHNEIDER等[27]采用DED制備了無(wú)裂紋的鉬（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%~100%）與Ti6Al4V合金梯度異構(gòu)薄壁件，結(jié)果表明，鉬含量的增加與前一層熔覆層的重熔將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)熔覆層之間界面處β晶粒形態(tài)的改變；當(dāng)鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時(shí)，梯度異構(gòu)薄壁件的顯微硬度最大，達(dá)到450 HV，接近未添加鉬時(shí)的兩倍。 

目前，Ti6Al4V合金/SS316L不銹鋼[28]、Ti6Al4V合金/Inconel625合金[29]、SS316L不銹鋼/銅[30]、SS316L不銹鋼/P21合金[31]、SS304L不銹鋼/Inconel625合金[32]等梯度異構(gòu)金屬材料已獲得廣泛的研究，力學(xué)性能相比其各自的本構(gòu)材料均有所改善，展現(xiàn)出了良好的強(qiáng)塑性組合。在梯度異構(gòu)金屬材料制造領(lǐng)域仍然存在以下問題：（1）梯度異構(gòu)金屬材料原料的不合理配比會(huì)導(dǎo)致梯度區(qū)域萌生裂紋[33]；（2）激光增材制造技術(shù)由于冷卻速率高，會(huì)產(chǎn)生有害相而損害異構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能[34]。 

2.5   雙相結(jié)構(gòu)

雙相結(jié)構(gòu)（DS）通過不同晶體類型硬相和軟相的協(xié)調(diào)作用優(yōu)缺互補(bǔ)，共同提升材料力學(xué)性能。目前，最常見的雙相結(jié)構(gòu)異構(gòu)金屬材料為鐵素體/馬氏體雙相鋼[35]。KADKHODAPOUR等[36]研究了鐵素體/馬氏體雙相鋼的微觀結(jié)構(gòu)和失效機(jī)制，結(jié)果表明：馬氏體相的體積分?jǐn)?shù)、化學(xué)成分，鐵素體和馬氏體的屈服應(yīng)力比以及馬氏體晶粒的尺寸、形狀和分布等參數(shù)對(duì)雙相鋼的性能有顯著影響，微裂紋的萌生和擴(kuò)展很大程度上取決于材料制備過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變；由于硬相沒有變形，施加的應(yīng)變總是集中在軟相上，導(dǎo)致軟相或軟硬相界面處產(chǎn)生空隙，最終產(chǎn)生斷裂；若提高硬相占比以提高強(qiáng)度，軟相應(yīng)變集中也會(huì)加劇，可能會(huì)加速空隙形成，導(dǎo)致斷后伸長(zhǎng)率降低。 

奧氏體/鐵素體雙相鋼也是一種雙相結(jié)構(gòu)異構(gòu)材料，其顯微組織一般由近似等比的奧氏體和鐵素體組成，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性能[37]，同時(shí)由于其較高的加工硬化率與高韌性，因此存在加工難度大的缺點(diǎn)[38]。DAVIDSON等[37]采用SLM成形SAF2507奧氏體/鐵素體雙相不銹鋼，研究結(jié)果表明：在較大能量密度下，雙相組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝貥?gòu)建方向伸長(zhǎng)的鐵素體為主的組織，快速冷卻過程會(huì)限制奧氏體的生長(zhǎng)，只有少量的奧氏體沿著晶界析出；對(duì)材料進(jìn)行熱處理后，晶內(nèi)奧氏體析出并長(zhǎng)大，鐵素體與奧氏體的體積分?jǐn)?shù)分別為55.2%，54.5%，相對(duì)密度達(dá)到90%以上。DAVIDSON等[39]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：SLM成形SAF2507奧氏體/鐵素體雙相不銹鋼的顯微硬度在408 HV左右，比鍛造制備SAF2507雙相鋼的硬度高126 HV；材料中心和外部輪廓區(qū)域重復(fù)進(jìn)行激光熔化后，不同區(qū)域出現(xiàn)顯微組織差異，材料整體硬度大于邊緣硬度，這種差異隨著激光能量密度的增加而減小。研究人員等采用L-PBF結(jié)合熱處理制備了相對(duì)密度高達(dá)99.5%的SAF2507雙相不銹鋼，其顯微組織由體積分?jǐn)?shù)約98%的鐵素體和體積分?jǐn)?shù)約2%的奧氏體組成，抗拉強(qiáng)度為1 321 MPa，屈服強(qiáng)度為1 214 MPa，均優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造雙相不銹鋼（屈服強(qiáng)度450 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa）[40-41]。JIANG等[42]采用定向激光沉積（DLD）結(jié)合熱處理制備了超級(jí)雙相不銹鋼，其顯微組織由體積比45∶55的鐵素體與奧氏體組成；在熔池前部，即各沉積層之間的熱影響區(qū)存在較大的沿最大熱梯度方向優(yōu)先生長(zhǎng)的柱狀鐵素體晶粒和少量奧氏體，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)遠(yuǎn)離熔池中心，冷卻速率快，為奧氏體形成提供的時(shí)間少；在熔池中心，奧氏體增多而鐵素體減少，這是因?yàn)樽銐虻臒彷斎牒蛠碜赃B續(xù)沉積層的再加熱均有利于奧氏體析出。通過控制熱影響區(qū)尺寸來控制奧氏體和鐵素體的分布將成為一個(gè)重要的研究方向。 

LUO等[43]采用SLM制備了無(wú)裂紋的AlCrCuFeNi3雙相高熵合金，該合金中觀察到分級(jí)異構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)，存在調(diào)制的納米級(jí)片層或細(xì)胞雙相結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到957 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在14.3%，強(qiáng)塑性組合優(yōu)異。但是，SLM的高冷卻速率和陡峭熱梯度很容易導(dǎo)致體心立方結(jié)構(gòu)相合金開裂，且合金中產(chǎn)生分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)制尚不明確，強(qiáng)塑性匹配的機(jī)制也未知。LUO等[44]針對(duì)上述問題進(jìn)行了進(jìn)一步研究，認(rèn)為合金中產(chǎn)生分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)歸因于不同區(qū)域不同的熱輸入，高強(qiáng)韌性歸因于位錯(cuò)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化以及晶間和晶內(nèi)背應(yīng)力。 

激光增材制造雙相異構(gòu)金屬材料領(lǐng)域還存在一些問題，例如：激光增材制造的高冷卻速率會(huì)破壞雙相不銹鋼中奧氏體/鐵素體的平衡，顯微組織中鐵素體組織占大部分；高溫梯度會(huì)誘發(fā)高殘余應(yīng)力[45]，導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而影響力學(xué)性能?？赏ㄟ^以下方案[46-47]解決上述問題：引入奧氏體形成元素，比如氮元素；向保護(hù)氣中添加氮；進(jìn)行后續(xù)熱處理，增加制造過程中最初形成的奧氏體。 

以上5種激光增材制造異構(gòu)金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1。 

3.   結(jié)束語(yǔ)

異構(gòu)組織一般由軟相和硬相組成，兩相塑性變形過程中產(chǎn)生的異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化效應(yīng)與常規(guī)位錯(cuò)硬化疊加，共同提高強(qiáng)韌性，這打破了金屬材料強(qiáng)度與韌性之間的傳統(tǒng)矛盾。采用激光增材制造制備異構(gòu)金屬材料具有靈活快捷的特點(diǎn)，并且可以對(duì)特定部位進(jìn)行個(gè)性化加工，通過調(diào)控顯微組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性同步提高的目的。根據(jù)微觀調(diào)控方式，可以將異構(gòu)金屬材料分為雙峰結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、雙相結(jié)構(gòu)5種，不同異構(gòu)金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)不同，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。目前，激光增材制造異構(gòu)金屬材料領(lǐng)域仍存在以下問題：異構(gòu)金屬材料成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇尚未成熟，成形件性能尚待優(yōu)化；雙峰結(jié)構(gòu)和雙相結(jié)構(gòu)等異構(gòu)金屬材料因增材制造的高冷卻速率和熱梯度等原因，仍存在需引入后續(xù)熱處理的問題。未來研究主要集中在以下方面： 

（1）對(duì)異構(gòu)組織區(qū)域的形狀和尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過調(diào)控激光增材制造工藝參數(shù)，制備具有最優(yōu)強(qiáng)度和延展性組合的金屬材料。 

（2）對(duì)激光增材制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，減小冷卻速率和溫度梯度，減輕二者對(duì)成形過程材料組織和性能的影響。 

（3）開發(fā)雙異構(gòu)或三異構(gòu)組織，并將異構(gòu)組織與相變誘導(dǎo)塑性、孿生誘導(dǎo)塑性或變形孿生等常規(guī)增韌機(jī)制協(xié)同耦合，如果每個(gè)應(yīng)變硬化機(jī)制在不同的應(yīng)變階段被順序激活，則其可保持高應(yīng)變硬化率至非常高的拉伸應(yīng)變，即產(chǎn)生非常高的延展性。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)