导读：当前的异质结构材料具有平衡强度-延展性相悖问题的巨大潜力，但也面临着异质区分布和力学各向异性的挑战。本研究探索了具有非层状空间异质结构材料 (SHM) 的激光辅助增材制造 (LAAM)，大幅度增强整体性能。事实证明，开口间距 (h) 对SHM的微观结构演变和机械性能有显著影响，它影响层厚度和相互稀释区域。在多尺度上评估了SHM的机械性能。h为1.5 mm的样品具有约1.6 GPa的高抗拉强度和8.1%的断裂伸长率，显示出良好的强度-延展性组合。与文献中报道的许多层状和线性功能梯度材料相比，SHM 的强度要高得多。研究结果强调了一种新的方法，通过使用多种材料的LAAM，遵循可配置的体系结构，可以开发具有可调性能的非层状空间异质结构材料 。

使用传统合金设计通过改变均质材料的化学成分或微观结构来克服金属材料的强度-延展性平衡问题是一项挑战。例如，增加碳含量是制造高强度钢最有效和最经济的方法之一，但它可能会导致延展性、焊接性和加工性下降，以及开裂倾向的增加等副作用。具有成分、相和微观结构异质性的材料，例如层压材料、成分、晶粒或织构分级材料、谐波结构和分级结构材料等，往往会导致性能增强。这些杂区中的相互作用产生了协同效应。例如，已经证明在层压结构中诱发的几种微观机制，如裂纹桥接、裂纹钝化和应力重新分布，可以延迟部件断裂。此外，通过冷轧加工的叠层钢也突出了不同叠层结构对调整疲劳性能的能力的作用。目前，异质结构材料主要通过冷轧、表面处理（如表面机械磨损处理（SMAT）、喷丸处理等）、物理/化学气相沉积和粉末冶金来加工。然而，这些方法在控制异质区域的体积分数和分布方面面临挑战，或者在组件的尺寸和几何形状方面受到限制。因此，缺乏通用且成熟的加工方法来制造具有可配置架构的块状空间异质结构材料。

增材制造(AM)的最新进展为加工异质金属材料提供了一种新方法。现有关于AM异质结构材料的文献主要可分为四类：（i）材料A直接在材料B上的AM，例如铜合金基板上的马氏体时效钢的AM。在这种情况下，界面可能会出现从材料A到B的急剧过渡；由于物理和冶金不匹配，裂纹很容易在界面中萌生。(ii)材料A在材料B上的AM，材料C作为中间层，可以缓解界面失配，因为中间材料C通常在材料A和B之间具有良好的相容性。此外，中间层还抑制脆性相（金属间化合物或金属碳化物）在结合区域形成并提高两种材料之间的亲和性。值得注意的是，中间层可以在激光工艺期间原位形成，而无需在A和B之间沉积另一种材料。(iii)材料A和B的AM，两种材料的重量百分比梯度变化，这允许更平滑的过渡在材料A和B之间的机械性能方面。（iv）材料A和材料B的AM沉积交替形成层状结构，例如交替的Inconel625合金和316L不锈钢，最近也有报道。

然而，上述四种由增材制造处理的多材料系统都具有层状结构的特征，即仅沿一个方向的异质结构。这些层状异质结构背后的加工方法和设计动机可能受到AM工艺的逐层沉积性质的限制。这些异质材料系统无法充分利用增材制造在复杂异质结构设计和制造中的独特优势。此外，它们还倾向于表现出各向异性的机械性能，这在研究和工业应用之间造成了差距。

在此，新加坡制造技术研究院谭超林等人探索了使用激光辅助增材制造(LAAM)将两种金属材料沉积成一个部件，以形成具有可配置架构的空间异质结构材料(SHM)。研究了工艺参数对空间异质结构和力学性能的影响。研究了两种材料之间的微观结构演变和潜在的强化机制。此外，还监测了原位变形行为，并讨论了断裂机制。这项研究强调了使用增材制造促进具有空间异质结构的多材料的数字化制造以规避材料特性的权衡和增强功能的能力。相关研究成果以题“Laser aided additive manufacturing of spatially heterostructured steels”发表在增材顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695521001267

本研究使用了两种气体雾化球形粉末，即300级马氏体时效钢（C300MS）粉末（Fe-18.3Ni-9.1Co-4.9Mo-0.75Ti-0.1Si-0.09Cr-0.04Mn-0.01C，wt%）和AISI420不锈钢粉末（Fe-13.78Cr-1.04Mn-0.85Si-0.21C，wt%）。沉积过程使用内部开发的粉末吹制LAAM系统进行，该系统配备1kWIPG镱(YLR-1000-MM-WC)连续波光纤激光器（光束质量因子M2≤1.1）。粉末的形态和粉末流动路径如图1a所示，两种粉末从TWIN10-C送粉器（OerlikonMetco）交替送入喷嘴。LAAM工艺的示意图如图1b所示。本文首次报道了使用LAAM加工的MS/SS材料的非层状空间异质结构金属材料，旨在将两种材料的优点整合为一个部分，以实现强度-延展性的协同作用。

SHM样品的强度比层状材料和线性FGM高得多；ROM和HDIS解释了潜在的强化机制。在拉伸过程中DIC原位观察到的SHM中的多个变形带对延迟颈缩有显着影响，这与TRIP效应一起有助于良好的延展性。

图1 粉末和实验过程。(a)粉末形态和送粉路线，(b)LAAM工艺示意图，(c)显示空间异质结构钢的逐步LAAM沉积工艺的示意图。

图2 显示缺陷3D分布的CT切片和断层照片。(a)取自h1=1.35mm样品的典型CT截面；(b)h1=1.35mm和(c)h2=1.5mm样品中缺陷的3D分布。

图3 具有不同开口间距值的LAAM处理的SHM的3DOM形态（手动组合3D视图）。

图4 SHM样品在顶部(X-Y)平面上观察到的微观结构：(a)到(d)分别为h1到h4，显示暗MS和亮SS轨迹，(e)和(f)分别为(b)中标记的e和f区域的近距离观察。

图5 h2=1.5mm和h4=2mm加工的SHM的横截面（X-Z平面）微观结构比较。(a)显示两个样品不同形貌的低倍图像，以及显示(b)和(c)中的h2样品以及(d)至(f)中的h4样品的微观结构的放大图像。

图6 (a)EDS映射和(b)沿h2样品构建方向(Z)进行点分析，元素组成以wt.%为单位。

图7 h2样品的EBSD分析。(a)对应于图6a区域的低倍率IPF和(b)SS和MS之间熔池边缘的EDS映射，(c)对应于(b)显示不同结构形态的带对比度图，以及(d)边缘的IPF。

图8 LAAM处理的SHM的硬度分布。(a)多个激光轨迹的硬度转变，以及显示(b)预制和(c)高温处理后条件下h2样品界面上的压痕的OM图像。

图9 MS/SSSHM以及单片MS和SS样品的工程拉伸应力-应变曲线。(a)不同h值对SHM样品拉伸应力-应变的影响，和(b)AISI420、C300MS和h2SHM样品在HT后的拉伸应力-应变曲线（插入图为厚度为3mm的拉伸试样尺寸）。

图10 拉伸试验后SHM样品的SEM断口分析。(a)到(d)分别用于h1到h4SHM样本，以及(e)在h3SHM样本上的EDS映射。

图11 HTed h2 SHM 样品在拉伸试验期间的 DIC 应变图和变形行为。

图12 拉伸试验后h2样品的EBSD分析。(a)显示靠近裂缝位置的EBSD测量区域的示意图。(b)区分MS和SS区域的EDS映射分析，(c)IPF和(d)GND映射。

图13 单片C300MS、420SS和MS/SSSHM拉伸试验前后的XRD图谱（使用Co靶材）。

图14 SHM选定区域的微柱压缩测试。(a)显示微柱位置以及测试前代表性微柱形态的概览，(b)不同微柱的压缩应力-应变曲线，以及(c)-(f)柱1至4的SEM断裂图像测试后。

图15 开口间距对断裂行为和断裂机制的影响。(a)和(b)h1=1.35mm样品，(c)多层金属中强度和层厚度之间关系的示意图，(d)和(e)h2=1.5mm样品，(f)和(g))h4=2.0mm样品。

图16 MS/SSSHM的机械性能与(a)AM处理的C300MS(预制和标准时效热处理)和(b)层状材料(420SS/304SS,301)的比较SS/420SS、铜青铜、Al/Ti、Ti/Al3Ti、Cu/Al、Ti/(SiCp/Al)、TiB2/TiAl、Ti/Ta、Cu/Ni)和功能梯度材料(FGM)：FGM铁合金（MS-H13、MS-420SS、MS-304SS、316L-H13）、FGM钛合金、FGM钢-铜合金（MS-Cu和316L-CuSn10）。

研究结果展示了一种通过使用AM将多种材料的优点整合到一个部分中来规避材料属性平衡的新方法。这项工作可以激发具有可配置架构的空间异质结构材料的增材制造研发，以获得卓越的性能和新颖的功能。同时，这项工作也有一些局限性，需要进一步研究，例如如何控制熔池和稀释区域的尺寸分辨率，沿Z方向拉伸试验或压缩试验来检查力学各向异性。特性，并通过有限元模拟进一步了解变形过程中的3D应变/应力分布。此外，使用线粉或线材作为增材制造的基于电弧/激光的增材制造具有生产具有复杂结构的多种材料的潜力，目前尚缺乏探索，将是未来的研究热点。