增材顶刊《AM》：增材制造具有分层相的体素化高强高韧异质结构金属材料！

来源：材料学网

导读：增材制造（AM）在构建复杂几何形状组件方面的独特灵活性已经得到了很好的研究。然而，增材制造具有高复杂材料分布组件的潜力缺乏探索。为了充分利用AM的材料复杂性能力，这项工作通过激光定向能量沉积（LDED）处理了具有可配置空间架构的两种材料的逐层异质结构材料（LHM）和异质结构材料（VHM）。研究了VHM的微观结构、多尺度力学性能、变形行为和机理。在VHM中，在熔池（宏观尺度）和熔池内（微观尺度）中观察到分层异构相分布。VHM 实现了 845 MPa 的抗拉强度和约 29% 的应变，显示出比 LHM 更好的机械性能。由于硬质区域阻断位错，在变形样品中观察到大量孪生体和应力诱导的相变行为。这项工作证明了AM在处理复杂架构多材料方面的能力，这突出了从本构材料继承优点以获得更好的性能和功能的潜力。

粉末床熔融（PBF）和定向能沉积（DED）是典型的金属增材制造（AM）技术。他们以分层方式构建组件，其中3D模型被切片成离散化的2D层，能量源（例如，激光，电子束或电弧）将沿着设计的刀具路径扫描每层以形成3D零件。这种沉积方法能够设计和制造具有高几何和材料复杂性的组件，以获得更好的性能和功能。PBF和DED中几何复杂性的潜力已经得到了很好的探索，例如（1）通过拓扑优化处理组件以产生创新的轻量级和高性能配置;（2）制造具有垂直，或径向格式结构孔隙率变化的功能级晶格结构，以提高机械性能（例如，更高的强度/延展性）和功能（例如，生物相容性和高能量吸收）。

然而，除了几何复杂性之外，在AM加工的金属零件中实现材料复杂性的能力尚未得到很好的研究。尽管有一些关于PBF或DED将多种材料合并为一个组分的出版物，但材料配置通常是线性格式（即材料沿一个方向过渡）多材料或金属与陶瓷的混合物以形成金属基复合材料，如图1所示。通过PBF和DED对多材料进行增材制造，其主要特征在于两种材料之间的直接键合，无论是否具有层间，或者两种材料的组成沿沉积方向逐渐转变以形成功能分级材料（FGM）。然而，这些材料不能有效地继承两种材料的优点，并且由于特定地点的成分/性质而表现出各向异性的机械性能。

最近，通过粉末吹制激光定向能量沉积（LDED）开发的层状多材料，如钢和高熵合金，已经证明了与本构整体材料相比，在改善机械性能（例如强度或延展性）方面的潜力。机械性能的增加源于两种材料在界面处的异质变形。这一发现强调了通过诱导更多界面来提高多材料性能的可能性，因为界面在塑性变形过程中充当滑动位错的屏障，从而增强了金属材料的屈服强度。此外，异质结构多材料中的“较软”和“较硬”区域在塑性变形过程中会不均匀地变形，在较硬区域引发前向应力，在较软区域引发反向应力，共同导致异质变形诱导强化（HDIS）对材料。因此，增加多材料中的界面数量对于改善其机械性能是可行的。

新加坡制造技术学院谭超林等人着重介绍了一种多功能方法，用于制造具有可控体积分数和空间周期分布的异质结构多材料。因此，与大多数报道的线性格式多材料不同，这项工作将利用LDED空间设计和制造的独特灵活性，通过将两种类型的钢（即C300马氏体时效钢和316 L不锈钢）在一个部件空间配置两种类型的钢（即C300马氏体时效钢和316 L不锈钢），从而将两种构成材料的优点合并为一个部分，因为C300是典型的马氏体钢 具有高强度，而316 L是典型的奥氏体钢，具有优异的延展性但强度较低。这两种材料以体素化格式的固结导致分层相分布，有助于提高出色的延展性和强度的提高。VHM 实现了 845 MPa 的抗拉强度和约 29% 的应变，显示出比 LHM 更好的机械性能。这项工作的发现可以刺激AM对功能组件的有前途的研究领域，该功能组件具有多尺度的多种材料的可配置分布，以增强性能和新功能，这将与现有的多材料和单片材料独特和区别开来。本文以题“Additive manufacturing of voxelized heterostructured materials with hierarchical phases”发表在Additive Manufacturing上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 60422001798#fig0020

图 1.由AM加工的单片均匀材料，金属基复合材料（MMC）和线性形式多材料的示意图。

图 2. （a） C300 MS 和 （b） 316 L SS 的 SEM 形态和粒径分布，以及 （c） MS/SS 体素化异构材料 （VHM） 的 LDED 沉积过程。

图 3.（a） 从 X-Z 和 X-Y 横截面采集的抛光 MS/SS VHM 样品的 OM 图像，显示高密度（Z 平行于构建方向），以及 （b） 通过 micro-CT 分析的 VHM 中缺陷的 3D 分布（样本数量 X × Y × Z = 4.8 × 1.3 × 2.6 mm3).

图 4. （a） MS/SS 体素化异质结构材料 （VHM） 和 （b） MS/SS 层状异质结构材料 （LHM） 的 3D OM 形态。

图 5. 沿构建方向对 MS/SS VHM 的 EBSD 和 EDS 调查。（a）带对比图以及（b）区分SS和MS区域的Cr元素分布图，（c）IPF图，（d）KAM图，（e）相分布图，以及（h）MS区域中显示均匀双相结构的放大相分布图。

图 6. VHM和LHM样品的拉伸性能。（a） VHM 和 LHM 样品的工程应力-应变曲线，以及 VHM 样品的真实应力-应变曲线以及加载-卸载-重载 （LUR） 曲线，（b） VHM 样品 LUR 曲线中最后一个周期滞后回路的特写视图，以及 （c） 卸载-重装滞滞循环中不同应力的定义。

图 7.通过对微柱和散装样品进行压缩测试，对MS/SS VHM进行多尺度机械性能评估。（a） 测试前FIB碾磨的微柱的位置和微柱的形貌，（b）散装VHM样品和微柱的压缩应力-应变曲线，以及（c）和（d）试验后支柱1和2的扫描电镜形态。

图 8.对断裂拉伸试样的微观结构观察。（a） 断裂样品概览，（b） 对选定断裂边缘区域的放大视图，（c） 在 SS 区域显示大量孪生体的变形区域，（d） 变形孪生体的闭合视图，以及 （e） MS 和 SS 接口。

图 9. AM加工的C300 MS和VHM样品在拉伸试验前后的XRD图谱。

图 10.拉伸试验后对变形的VHM样品进行EBSD分析。（a） EBSD扫描区域靠近断裂边缘的位置，（b）带对比图，（c）元素分布图，（d）IPF图，（e）相分布图，以及（f）拉伸试验后断裂样品的KAM图。