金屬材料的強(qiáng)韌性良好結(jié)合一直以來是材料領(lǐng)域的追求目標(biāo)，但由于材料強(qiáng)度-塑性的本征矛盾，這一目標(biāo)難以在單一金屬中實(shí)現(xiàn)。近年來，研究發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料可以有效調(diào)節(jié)強(qiáng)度與塑性，表現(xiàn)出了很高的潛力。異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中的粗晶/軟相和細(xì)晶/硬相會形成“軟”和“硬”不同的區(qū)域；這些異質(zhì)區(qū)在材料變形過程中，形成不均勻變形，在軟區(qū)形成背應(yīng)力，在硬區(qū)形成前應(yīng)力，它們共同導(dǎo)致異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化效應(yīng)，同時保持良好的延展性。

　　近期，省科學(xué)院智能制造研究所畢貴軍研究員和新加坡制造技術(shù)研究院合作，通過激光輔助增材制造（Laser-aided additive manufacturing, LAAM），采用非層狀空間結(jié)構(gòu)沉積AISI 420不銹鋼和C300馬氏體時效鋼結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼，大大改善了材料的整體性能。研究團(tuán)隊(duì)獲得的空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼具有約1.6 GPa的高抗拉強(qiáng)度和8.1%的斷裂延伸率，具有良好的強(qiáng)度-延性組合，且強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于片層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。通過對該材料力學(xué)性能的多尺度評價，發(fā)現(xiàn)空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼的優(yōu)異性能源自于材料混合規(guī)則效應(yīng)（ROM）和異質(zhì)變形誘發(fā)強(qiáng)化效應(yīng)（HDIS）。該項(xiàng)研究成果表明，使用LAAM技術(shù)可開發(fā)具有空間結(jié)構(gòu)、性能可調(diào)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

圖1 AISI 420不銹鋼與C300馬氏體時效鋼異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)及制備流程

圖2 空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼不同區(qū)域微柱壓縮測試分析

圖3 本研究與采用增材制造（a）及傳統(tǒng)制造方法（b）加工的高強(qiáng)鋼機(jī)械性能對比分析

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在國際機(jī)械制造頂刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》，畢貴軍研究員為第一通訊作者。該項(xiàng)工作得到了廣東省科學(xué)院建設(shè)國內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助。

　　論文信息：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.

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103817

　　（省科學(xué)院智能制造所/供稿）