金属材料的强韧性良好结合一直以来是材料领域的追求目标，但由于材料强度-塑性的本征矛盾，这一目标难以在单一金属中实现。近年来，研究发现异质结构材料可以有效调节强度与塑性，表现出了很高的潜力。异质结构材料中的粗晶/软相和细晶/硬相会形成“软”和“硬”不同的区域;这些异质区在材料变形过程中，形成不均匀变形，在软区形成背应力，在硬区形成前应力，它们共同导致异质变形诱导(HDI)强化效应，同时保持良好的延展性。

近期，省科学院智能制造研究所毕贵军研究员和新加坡制造技术研究院合作，通过激光辅助增材制造(Laser-aided additive manufacturing, LAAM)，采用非层状空间结构沉积AISI 420不锈钢和C300马氏体时效钢结合的异质结构高强钢，大大改善了材料的整体性能。研究团队获得的空间异质结构高强钢具有约1.6 GPa的高抗拉强度和8.1%的断裂延伸率，具有良好的强度-延性组合，且强度远远高于片层状异质结构材料。通过对该材料力学性能的多尺度评价，发现空间异质结构高强钢的优异性能源自于材料混合规则效应(ROM)和异质变形诱发强化效应(HDIS)。该项研究成果表明，使用LAAM技术可开发具有空间结构、性能可调的异质结构材料。

图1 AISI 420不锈钢与C300马氏体时效钢异质结构材料设计及制备流程

图2 空间异质结构高强钢不同区域微柱压缩测试分析

图3 本研究与采用增材制造(a)及传统制造方法(b)加工的高强钢机械性能对比分析

相关研究成果发表在国际机械制造顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》，毕贵军研究员为第一通讯作者。该项工作得到了广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目资助。

论文信息:Chaolin Tan; Youxiang Chew; Fei Weng; Shang Sui; Fern Lan Ng; Tong Liu; Guijun Bi. Laser aided additive manufacturing of spatially heterostructured steels[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2022, 172:103817.

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103817

(省科学院智能制造所/供稿)

【来源:广东省科学院_科研进展】