导语：使用脉冲激光顺序焊接和切割SS 304 L片材，增材制造了在宏观相（具有不同微观结构、形态和性能的区域）中具有急剧过渡的新型超金属。通过调制激光脉冲参数，可以通过高位错密度使宏观相变强（0.2% YS ~ 660 MPa; %EL ~ 22%）或通过相变诱发塑性（TRIP）效应实现延性（0.2%YS ~ 535MPa; %EL ~ 36%）。通过在焊接期间经过选择性区域，还可以保留金属原料板原始加工硬化的微观结构和性能（0.2%YS ~ 970 MPa; %EL ~ 19%），大大提高了异相金属的整体面内强度（高达0.2%YS ~ 840 MPa; UTS ~ 975 MPa）。重要的是，变形金属在高达其组成宏观相应变的2.3倍的应变下表现出延迟颈缩。这是由于TRIP宏观相赋予的增强的加工硬化速率和自稳定界面剪切应力的形成，它们共同作用以阻止可能导致颈缩早期发生的应变局部化。因此，超金属的强度-延展性折衷曲线超过了在更广泛的文献中报道的SS 304 L。

增材制造（AM）是一项变革性技术，它消除了制造的工具要求，使定制零件能够在短的交货期内按需合成。它的工作原理是基于输入数字模型在自下而上的过程中逐层构建几何形状。这种工作流程适合生成悬伸结构，因此，AM可以实现真正的3D几何形状，而不受成形制造方法或减材加工技术的限制。

这种连续制造方法的另一个关键好处是，它允许在单一材料中形成异质相。例如，粉末床熔合（PBF）中能量源的功率和扫描速率可以随着光束光栅在表面上的移动而变化，从而在不同区域产生不同的冷却速率。这导致金属部件上的特定位置的晶粒尺寸和强度。同样，在粘结剂喷射中，不同量的碳墨可以沉积到钢粉末床内的每个体素上，在烧结时产生不同程度的碳化物形成，从而在同一工件内的不同区域中产生不同的机械性能。

因此，通过时空调节工艺参数，可以在单一金属中确定性地定义多个不同的宏观相，通常具有比传统功能梯度材料更尖锐的过渡。在这里，我们引入术语“宏观相”，它是指表现出均匀性能、形态和微观结构的区域（~100 μm），反过来，含有不同的微相（例如奥氏体和马氏体，~1 μm）。此外，我们将这种具有异质宏观相的完全致密的单组分金属部件称为“异金属”，以将其与由2种或更多种不同金属组成的多金属区分开来，以及金属超材料，即由金属构成的多孔晶格或泡沫。

与金属基复合材料相比，结构化超金属具有某些固有的优势。首先，超金属不像由不同金属制成的多金属复合材料那样容易受到电偶腐蚀。此外，宏观相的热膨胀系数的相似性意味着超金属不太容易由于工作温度的变化而发生界面失效。近年来，金属间化合物还表现出超过其组成材料的强度和延展性，这是混合物法则复合材料理论所没有预料到的。例如，Kürnsteiner等人改变了DED沉积参数，以图案化粗晶粒和细晶粒大马士革钢的交替层，其表现出比其“较弱”区域高30%的强度，同时保持类似的延展性。已经提出，这些异金属的强度源于沿着硬-软材料界面的几何必要位错（GND）的积累，这增加了总位错密度，并且还有助于异质变形诱导（HDI）硬化。这些机制共同提供了额外的加工硬化，以提高材料的整体强度和延展性。

然而，迄今为止，对增材制造金属的研究一直由基于粉末的技术主导，这存在几个缺点。对于诸如PBF的技术，用于编程体素属性的激光或电子束参数还必须确保形成稳定的熔池而不产生诸如飞溅或孔隙截留的缺陷，因此，整个部件可以成功地3D打印，具有最小的孔隙率和良好的机械完整性。这限制了可用于性能调节的工艺参数范围。对于非激光技术，如粘合剂喷射，必须进行高温后处理，将金属粉末颗粒脱粘并烧结在一起，形成连贯的金属部件。这种处理会导致合金元素的显着扩散，从而扭曲甚至消除原始设计中预期的成分对比度。出于这些原因，迄今为止，大多数超金属仅在面外轴（即，沿着构建方向）上构建，或者在面内方向上以低分辨率展示。

为了克服这些限制，我们采用了一种定制的脉冲激光片融合技术，激光脉冲集成片（LAPIS），该技术使用不锈钢箔（SS 304 L）作为本研究的前体材料。与粉末不同，金属片具有抗飞溅的面内机械完整性，因此，与基于粉末的技术相比，可用于调制体素性质的激光参数的范围被显著地扩展到更高的能量密度。另外，金属板在2D中的机械完整性允许它们的高强度特性被保留并整合到最终的打印结构中。在这项研究中，3种不同的宏观相配对产生3种等应变组合（即Voigt模型）对不同体积比的超金属进行拉伸试验和微观结构表征，以确定微观结构-性能关系。

以上内容以“Enhanced strength and delayed necking of architected metametals 

additively manufactured via laser sheet fusion ”发表在Additive Manufacturing上。

链接：                                                                   https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221486042500243X

图1.本研究中使用的脉冲激光片融合技术示意图。

①将金属板放置在基板或先前处理的层上。②定制的格栅夹具牢固地夹紧板，然后选择性地进行激光焊接（红色）以锚拉伸夹持区域。③对拉伸试样进行激光焊接（红色），然后进行激光切割（蓝色轮廓）沿着拉伸设计的周边。激光清洁步骤（黄色）去除表面氧化物，然后进行轻磨，以消除激光切割过程中产生的毛刺。重复步骤①至步骤②，直到完成最终零件。

图2.（a）2DS、STRONG和坚韧宏观相的工程应力-应变曲线。（顶部插图）STRONG单个熔池的光学显微照片（蓝色轮廓）和坚韧（红色轮廓）。（底部插图）未变形和断裂样品的相位图，表示由于拉伸载荷而发生的相变（如果有的话）。（b）真应力-真应变曲线（虚线）和相应的加工硬化率曲线（实线）为强，坚韧，和2DS宏观相。这些曲线突出了三种试样类型之间的力学响应和加工硬化行为的差异。使用窗口大小为2的移动平均值平滑加工硬化速率曲线，以减少噪声并提高趋势的清晰度。c）2DS的电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF）图和核平均取向差（KAM）图，坚韧和STRONG样品在3个不同的轴上表征，而2DS只能在2个轴上表征-其轧制方向（RD）和横向（TD）。强和坚韧的IPF图中的黑色箭头指的是激光扫描方向。（d）（i）2DS的数字图像相关（DIC）快照，1（b）中标记的不同菌株的（ii）强和（iii）坚韧。（i）中的红色箭头表示2DS中菌株定位的起始。

图3.（a）变形金属拉伸试棒的示意图。不同的宏观相用蓝色和橙子表示。（b）光学显微照片显示了STRONG/坚韧，/2DS/坚韧，2DS/化学蚀刻样品以显示每个宏观相的不同微观结构。为每个样品设计和制造了总共15个交替的宏观相区。c）三种宏观相组合的EBSD IPF和晶粒取向扩展（GOS）图，显示了热影响区（HAZ）对2DS位错密度的影响。红色箭头指向2DS宏观相中未焊接板之间的间隙。

图4.（a、b、c）面内实验（纯色）和理论（虚线颜色）STRONG/坚韧代表性样品的工程应力-应变曲线（
 = 0.59），2DS/坚韧（
 = 0.69）和2DS/STRONG（ 
= 0.63）异金属。理论曲线基于混合规则计算（方程（2））.（d，e，f）超金属样品的面内0.2%YS和UTS与宏观相分数（f）的关系。

图5.（a）极限拉伸强度下的应变，或UTS应变（即颈缩的开始）与2DS/STRONG和2D/坚韧的焊接宏观相的体积分数的关系。（b）STRONG/坚韧的UTS应变与STRONG的体积分数的关系曲线。虚线表示各个2DS的UTS应变，（c）说明在过早应变局部化的情况下，STRONG和2DS宏观相之间的相互稳定的示意图：（i）随着屈服下降，2DS中的应变局部化被相邻的强宏观相阻止。箭头表示与2DS中的局部变形相反的剪切力。（ii）在较高应变下，强宏观相中的局部颈缩被2DS中的应变诱导马氏体相变稳定，这提高了局部加工硬化速率。(d)2DS和2DS/STRONG的工程应力-应变曲线，以及不同应变间隔的DIC快照。（e）具有不同焊缝分数的两个2DS/坚韧样品的EBSD KAM图（0.61和0.68）。焊缝分数为0.61的样品中的2DS经历部分再结晶和回复，而焊接分数为0.68的样品中的2DS完全在热影响区（HAZ）内。红色箭头指向2DS宏观相中未焊接的层间间隙。

图6.比较图显示了SS 304 L的（a）0.2%屈服强度和断裂伸长率，以及（b）极限拉伸强度和0.2%屈服强度，通过LAPIS、传统工艺（如铸造和热处理）以及其他增材制造技术（包括粉末床熔合、定向能量沉积、片材层压（LFP）和粘合剂喷射。子图（a）中的虚线表示通过传统非AM工艺和本研究中制造的部件的强度-延展性权衡，其使用逆幂律回归线单独计算。

总之，使用定制增材制造技术LAPIS在增材制造的SS304L片材中产生两个独特的相，我们称之为STRONG（屈服强度高达660 MPa），和坚韧（通过TRIP效应提高延展性36%）。其本身显示出1080 MPa的优异强度，但由于在屈服点后不久形成局部应变而导致延展性差。等应变配置与不同的体积分数，实现高达840 MPa的面内屈服强度时，保留了大部分的原始微观结构的2DS。

除了强度改进之外，发现各种宏观相的配对可以将UTS应变提高到高于其组成材料的应变，因为STRONG和坚韧的均匀变形行为促进了2DS中的连续屈服，而2DS和坚韧的TRIP行为提供的额外加工硬化有助于稳定可能在异金属内成核的任何局部应变，从而延迟颈缩的整体开始。当与文献中报道的其他SS304L进行基准测试时，本工作中的金属异相材料显示出优异的强度，同时保持了相当大的延展性。