分享：激光增材制造异构金属材料的研究进展

0.   引言

航空航天、交通运输等重大工程领域的快速发展对结构材料提出了高性能、高可靠性的迫切需求。强度和韧性作为材料最核心的力学性能指标，决定着其在实际应用中的表现；强韧均衡是工程结构材料设计的永恒主题。异构金属材料是一种新型材料，具有空间结构和成分不均匀分布的特点。通过构筑金属异构以实现强韧均衡的材料设计和制造方法，已成为机械工程和材料科学等领域的前沿方向与研究热点。异构金属材料非均质区域之间的材料特性不同，非均质区域的尺寸从微米级到毫米级不等，几何形状也可调整，具有结构及功能多样性的特点[1]。相比传统制备及加工技术，激光增材制造技术具有产品制造周期短、成形件综合性能优异等特点，在制备异构金属材料方面更加灵活快捷，并且可以根据特定部位进行定制化加工，通过调控显微组织实现强度和塑性同步提高。采用增材制造技术制备高强度和高延展性异构金属零件已成为目前的研究热点[2-7]。 

国外关于激光增材制造异构金属材料的研究多集中于基础理论研究、材料设计和制造工艺优化，国内则更加注重应用导向，例如在航空航天、国防等领域的具体应用。为了给相关研究人员提供参考，作者简要介绍了异构组织及其强韧性协同机理，详细阐述了5种典型结构异构金属材料的激光增材制造方法、组织演变以及性能优化，归纳总结了不同异构金属材料的优缺点，提出了目前存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望。 

1.   异构组织及强韧性协同机理

从微观结构角度来看，异构组织一般由软相微米级再结晶组织和硬相超细晶、纳米晶或纳米孪晶组织组成[8]。在塑性变形过程中，异构组织不同相区变形不均匀，软相产生后向应力，硬相产生前向应力，两者共同产生了异质变形诱导强化效应，能够显著提高屈服强度，增强应变硬化效果；同时，异质变形诱导强化效应可以与常规位错硬化叠加，两者共同作用，有助于维持甚至提高延展性，进一步提升材料的综合性能[9]。该强化效应的机制在于利用材料内部不同区域变形行为的差异，形成高密度位错、纳米孪晶或相变结构，从而阻碍位错运动并提高强度和韧性。研究[7]发现，异构金属材料的拉伸变形可以分为以下三个阶段： 

第一阶段，软相和硬相均经历弹性变形，与均质材料的变形过程类似。 

第二阶段，软相开始发生位错滑移，产生塑性应变，而硬相保持弹性，由此产生了力学不相容性。软相无法自由进行塑性变形，为了保持连续的应变，软相需与相邻的硬相共同变形，这导致相界面附近的软域中存在塑性应变梯度。这种应变梯度需要通过几何上必要的位错进行调整，从而使软相在整体上显得更加坚固。该种协同强化效应可以提高材料整体的屈服强度[10]。理想情况下，若软相被硬相完全包围，软相将无法按照塑性变形需求改变形状，直到硬相也开始发生塑性变形；几何上必要的位错将在软相的相边界处堆积，但无法穿越域边界，从而形成高背应力，使得软相具有几乎与硬相相当的强度，导致整体的屈服强度远高于通过混合规则预测的值。 

第三阶段，软相和硬相均经历塑性变形，但软相承受应变的能力明显高于硬相。当相邻的相发生不均匀的塑性应变时，在软相和硬相的相边界附近会产生应变梯度，这些应变梯度随应变增加而增大。不均匀的塑性应变分布会导致背应力加工硬化，通过产生附加的内部应力场来阻止材料在拉伸过程中过早出现颈缩。背应力加工硬化有助于提高延展性，并使材料在承受高应力时仍能保持较好的完整性，展现出非凡的加工硬化特性。这是异构金属材料在塑性变形过程中能够保持优异力学性能的关键[11]。 

2.   异构金属材料的分类与制备

根据微观调控方式，可以将异构金属材料分为双峰结构、谐波结构、层状结构、梯度结构、双相结构5种。下面具体介绍不同种异构金属材料的特点及其增材制造方法。 

2.1   双峰结构

双峰结构（BS）是指材料的显微组织呈现出两种晶粒尺寸分布的特点，即晶粒尺寸分布存在两个高斯对称峰[12]。MA等[13]研究发现：粗柱状晶区和细晶粒区交替分布的双峰结构铝合金异构材料的相对密度达到99.7%；合金中的粗晶粒可以容纳更多位错，提高延展性，延缓裂纹的萌生和扩展，断后伸长率达到11.2%，合金在其内部不易变形的细晶粒和晶界的作用下，获得了优异的强度，抗拉强度达到（362±7）MPa。WANG等[14]研究发现，针状α´马氏体和退火产生的等轴α晶粒组成的双峰结构纯钛异构材料同时具有良好的抗拉强度（850 MPa）和断后伸长率（35%），这是因为双峰结构中的马氏体提供了高强度，等轴α晶粒则改善了塑性。 

向合金中引入其他元素或化合物，是制备双峰结构异构金属材料的一种方法。PATIL等[15]采用直接金属激光烧结（DMLS）成功制备了TiB2增强Ti6Al4V合金复合材料，由于TiB2分解形成的TiB减小了Ti6Al4V合金中α´马氏体的宽度和长度，合金显微组织由α´马氏体转变为等轴α和片层状α晶粒共存的双峰结构；随着TiB2添加量增加，马氏体板条尺寸逐渐减小，材料整体的硬度和耐磨性能逐渐提高。GUO等[16]采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术制备了Al-0.88Er-0.78Zr合金，铒的添加显著细化了晶粒尺寸并形成熔池边界处细小等轴晶与熔池中心处粗大柱状晶的双峰结构，合金硬度达到（89.24±3.77） HV。另外，改变激光扫描策略也会对成形件的显微组织产生影响，形成不均匀的结构。WAN等[17]研究发现：激光选区熔化（SLM）层间无旋转和层间旋转90°双向扫描下，分别产生镍基合金双峰晶粒结构和定向柱状晶粒结构。XU等[18]研究了不同扫描策略（层间旋转分别为0°，67°，90°）对SLM制备镍基合金的开裂抑制行为的影响，发现层间旋转67°时获得了等轴晶与柱状晶的双峰结构，且具有强度与延展性的优异组合，屈服强度达到（1 049.4±21.1） MPa，抗拉强度达到（1 270.2±27.3） MPa，断后伸长率达到21.1%±0.8%。 

双峰结构异构金属材料虽然表现出良好的强韧性，但是由于其硬相和软相在金属材料中随机分布，背应力难以最大化，即综合性能难以进一步提升，因此双峰结构在性能调控方面的效果是相对有限的。 

2.2   谐波结构

谐波结构（HS）是一种新型结构，最早由Sekiguchi提出，是指在空间结构上软相微米级晶粒（“核”区域）被硬相超细晶晶粒（“壳”区域）包裹，“壳”呈现连续均匀网格状分布的一种结构。谐波结构异构金属材料同时表现出高强度和高塑性，其性能随“壳核”晶粒尺寸、“壳”含量和网格尺寸等谐波结构特性的变化而变化。“壳”晶粒细化和“壳”含量增加可以提高材料强度，但是当“壳”的体积分数超过50%时，谐波结构异构金属材料的断后伸长率将趋向于降低[19]。ORLOV等[20]研究发现，连续的硬相超细晶区域占比对谐波结构异构金属材料的力学性能具有显著影响，当超细晶占比（体积分数）在40%时，材料表现出了最优的强度-塑性组合。 

谐波结构已应用于纯钛、纯铜、Ti6Al4V合金、316L不锈钢以及Co28Cr6Mo合金[20]等众多金属材料中，相比传统均质材料，异构材料的强塑性得到显著改善。通常，谐波结构难以通过单一激光增材制造技术制备，多采用激光增材制造与传统冷热加工相结合的方法制备。AMANOV[21]采用SLM与热处理相结合的方法，成功制备了具有优异性能的谐波结构异构金属材料。 

2.3   层状结构

层状结构包括单金属层状和多金属复合层状异构两种类型。单金属层状异构金属材料由软相微米再结晶组织和硬相超细晶/纳米晶/纳米孪晶组织共同构成，软相呈层状聚集且被硬相牢牢包裹着，在空间尺度上展现出层状分布的特征；多金属复合层状异构由两种或两种以上金属通过一定方法相互堆叠连接而成，材料组织同样由软相粗大再结晶和硬相细小晶粒构成，软相和硬相在空间尺度上具有层状分布的特征。 

XU等[22]采用定向能量沉积（DED）技术，分层送进316L和17-4PH不锈钢粉末，制备了316L/17-4PH不锈钢层状交替异构材料，该层状异构金属材料兼具高强度（屈服强度为576.5 MPa）与高延展性（断后伸长率为35.5%），这归因于材料内部的多重塑性响应。316L/17-4PH层状异构金属材料内部由马氏体和奥氏体两种性能截然不同的组织构成，受力时易在相边界处产生应变分配，导致马氏体中应力集中减少，局部颈缩延迟，多个局部颈缩的延迟抑制了应变的扩展，延缓了整体结构的宏观颈缩。TAN等[23]采用激光增材制造制备了AISI420不锈钢/C300马氏体时效钢层状异构金属材料，该材料抗拉强度高达1.32 GPa，断后伸长率达到7.5%；高强度归因于异质变形引起的强化，高延展性归因于独特变形带对颈缩的延迟。上述研究均是在平行于材料界面的拉伸载荷下进行的，但是层状异构金属材料的力学行为存在各向异性，如何评估各向异性力学性能以及如何通过定制多种材料的沉积模式来最小化各向异性效应才是关键所在。LIU等[24]采用激光增材制造制备了AISI420不锈钢/C300马氏体时效钢异构金属材料，发现其整体拉伸性能较好，各向异性不太明显，且片层厚度对异构金属材料的微观结构演变和力学性能有显著影响，当片层厚度为1.5 mm时，试样具有约1.6 GPa的高抗拉强度和8.1%的断后伸长率。 

层状结构异构金属材料通过将两种或者多种金属在特定的工艺下连接在一起，形成了明晰的材料界面，相的数量相比其他异构金属材料更为可控，并且层状结构异构金属材料能充分利用背应力强化机制，在综合性能调控方面具有更高的潜力。 

2.4   梯度结构

梯度结构的成分或晶体结构沿一个或者多个方向在空间尺度上呈现梯度变化，其性能和功能也会随之变化，包括随着边界的存在逐渐变化和随着位置的不同逐渐变化两种类型[24]。 

采用激光增材制造技术可以制备多种梯度结构材料。SLM容易制备成分沿垂直于沉积层方向发生变化的梯度异构金属材料；DED可以制备出成分和尺寸沿多个方向变化的梯度异构金属材料。NIENDORF等[25]在400，1 000 W激光功率下采用SLM对316L不锈钢进行加工，结果表明：400 W激光功率下加工位置为相对细小晶粒，其屈服强度和断后伸长率分别为580 MPa，20%；1 000 W激光功率下加工位置为粗大柱状晶，其屈服强度和断后伸长率分别为400 MPa，34%；400，1 000 W激光功率结合加工位置出现了明显的微米级晶粒和纳米级晶粒分区现象，这种特殊的组织分布使成形件显示出了明显的力学性能局部差异；拉伸变形过程中，1 000 W激光功率SLM试样的加工位置首先屈服变形然后再延伸到其余位置。CHOY等[26]采用SLM制备了具有不同密度和支柱直径的立方体晶格和蜂窝状晶格结构的梯度异构钛合金材料，结果表明：相比均匀支柱晶格结构材料，梯度异构钛合金具有更高的强度且其局部变形和逐渐失效是可预测的；此外，蜂窝梯度异构钛合金比立方梯度异构钛合金更节省空间，强度更大。SCHNEIDER等[27]采用DED制备了无裂纹的钼（质量分数0%~100%）与Ti6Al4V合金梯度异构薄壁件，结果表明，钼含量的增加与前一层熔覆层的重熔将会导致两个熔覆层之间界面处β晶粒形态的改变；当钼质量分数为75%时，梯度异构薄壁件的显微硬度最大，达到450 HV，接近未添加钼时的两倍。 

目前，Ti6Al4V合金/SS316L不锈钢[28]、Ti6Al4V合金/Inconel625合金[29]、SS316L不锈钢/铜[30]、SS316L不锈钢/P21合金[31]、SS304L不锈钢/Inconel625合金[32]等梯度异构金属材料已获得广泛的研究，力学性能相比其各自的本构材料均有所改善，展现出了良好的强塑性组合。在梯度异构金属材料制造领域仍然存在以下问题：（1）梯度异构金属材料原料的不合理配比会导致梯度区域萌生裂纹[33]；（2）激光增材制造技术由于冷却速率高，会产生有害相而损害异构金属材料的力学性能[34]。 

2.5   双相结构

双相结构（DS）通过不同晶体类型硬相和软相的协调作用优缺互补，共同提升材料力学性能。目前，最常见的双相结构异构金属材料为铁素体/马氏体双相钢[35]。KADKHODAPOUR等[36]研究了铁素体/马氏体双相钢的微观结构和失效机制，结果表明：马氏体相的体积分数、化学成分，铁素体和马氏体的屈服应力比以及马氏体晶粒的尺寸、形状和分布等参数对双相钢的性能有显著影响，微裂纹的萌生和扩展很大程度上取决于材料制备过程中的微观结构演变；由于硬相没有变形，施加的应变总是集中在软相上，导致软相或软硬相界面处产生空隙，最终产生断裂；若提高硬相占比以提高强度，软相应变集中也会加剧，可能会加速空隙形成，导致断后伸长率降低。 

奥氏体/铁素体双相钢也是一种双相结构异构材料，其显微组织一般由近似等比的奥氏体和铁素体组成，具有优异的强度、耐腐蚀性和抗氯化物应力腐蚀开裂性能[37]，同时由于其较高的加工硬化率与高韧性，因此存在加工难度大的缺点[38]。DAVIDSON等[37]采用SLM成形SAF2507奥氏体/铁素体双相不锈钢，研究结果表明：在较大能量密度下，双相组织转变为以沿构建方向伸长的铁素体为主的组织，快速冷却过程会限制奥氏体的生长，只有少量的奥氏体沿着晶界析出；对材料进行热处理后，晶内奥氏体析出并长大，铁素体与奥氏体的体积分数分别为55.2%，54.5%，相对密度达到90%以上。DAVIDSON等[39]进一步研究发现：SLM成形SAF2507奥氏体/铁素体双相不锈钢的显微硬度在408 HV左右，比锻造制备SAF2507双相钢的硬度高126 HV；材料中心和外部轮廓区域重复进行激光熔化后，不同区域出现显微组织差异，材料整体硬度大于边缘硬度，这种差异随着激光能量密度的增加而减小。研究人员等采用L-PBF结合热处理制备了相对密度高达99.5%的SAF2507双相不锈钢，其显微组织由体积分数约98%的铁素体和体积分数约2%的奥氏体组成，抗拉强度为1 321 MPa，屈服强度为1 214 MPa，均优于传统锻造双相不锈钢（屈服强度450 MPa，抗拉强度600 MPa）[40-41]。JIANG等[42]采用定向激光沉积（DLD）结合热处理制备了超级双相不锈钢，其显微组织由体积比45∶55的铁素体与奥氏体组成；在熔池前部，即各沉积层之间的热影响区存在较大的沿最大热梯度方向优先生长的柱状铁素体晶粒和少量奥氏体，这是因为热影响区远离熔池中心，冷却速率快，为奥氏体形成提供的时间少；在熔池中心，奥氏体增多而铁素体减少，这是因为足够的热输入和来自连续沉积层的再加热均有利于奥氏体析出。通过控制热影响区尺寸来控制奥氏体和铁素体的分布将成为一个重要的研究方向。 

LUO等[43]采用SLM制备了无裂纹的AlCrCuFeNi3双相高熵合金，该合金中观察到分级异构微观结构，存在调制的纳米级片层或细胞双相结构，抗拉强度达到957 MPa，断后伸长率在14.3%，强塑性组合优异。但是，SLM的高冷却速率和陡峭热梯度很容易导致体心立方结构相合金开裂，且合金中产生分级微观结构的机制尚不明确，强塑性匹配的机制也未知。LUO等[44]针对上述问题进行了进一步研究，认为合金中产生分级微观结构归因于不同区域不同的热输入，高强韧性归因于位错强化、沉淀强化以及晶间和晶内背应力。 

激光增材制造双相异构金属材料领域还存在一些问题，例如：激光增材制造的高冷却速率会破坏双相不锈钢中奥氏体/铁素体的平衡，显微组织中铁素体组织占大部分；高温梯度会诱发高残余应力[45]，导致材料微观结构不稳定，从而影响力学性能。可通过以下方案[46-47]解决上述问题：引入奥氏体形成元素，比如氮元素；向保护气中添加氮；进行后续热处理，增加制造过程中最初形成的奥氏体。 

以上5种激光增材制造异构金属材料的优缺点列于表1。 

3.   结束语

异构组织一般由软相和硬相组成，两相塑性变形过程中产生的异质变形诱导强化效应与常规位错硬化叠加，共同提高强韧性，这打破了金属材料强度与韧性之间的传统矛盾。采用激光增材制造制备异构金属材料具有灵活快捷的特点，并且可以对特定部位进行个性化加工，通过调控显微组织实现强韧性同步提高的目的。根据微观调控方式，可以将异构金属材料分为双峰结构、谐波结构、层状结构、梯度结构、双相结构5种，不同异构金属材料的优缺点不同，可以根据实际生产条件进行选择。目前，激光增材制造异构金属材料领域仍存在以下问题：异构金属材料成分结构设计与工艺参数选择尚未成熟，成形件性能尚待优化；双峰结构和双相结构等异构金属材料因增材制造的高冷却速率和热梯度等原因，仍存在需引入后续热处理的问题。未来研究主要集中在以下方面： 

（1）对异构组织区域的形状和尺寸进行合理设计，通过调控激光增材制造工艺参数，制备具有最优强度和延展性组合的金属材料。 

（2）对激光增材制造工艺进行优化，减小冷却速率和温度梯度，减轻二者对成形过程材料组织和性能的影响。 

（3）开发双异构或三异构组织，并将异构组织与相变诱导塑性、孪生诱导塑性或变形孪生等常规增韧机制协同耦合，如果每个应变硬化机制在不同的应变阶段被顺序激活，则其可保持高应变硬化率至非常高的拉伸应变，即产生非常高的延展性。

文章来源——材料与测试网