导读：异质结构最近已成为一种流行的选择，在合金中可提供强度和延展性的出色组合。然而，它的生产是一个具有挑战性的多步骤过程。本文提出了一种简单的工艺来开发异质结构合金，该方法是在锻造材料的表面上激光熔覆一层相同材料的薄层。与单片激光熔覆和锻造 316L 不锈钢相比，异质结构的激光熔覆锻造样品表现出更高的强度和延展性。位于涂层区域的增强孪晶活性产生了高度的机械不相容性，异质结构激光熔覆样品的异质变形诱导强化导致强度-延展性协同作用增强。对于激光熔覆的可用材料，这种方法简单且可行。

异质结构设计作为一种新兴的方法引起了极大的关注，以实现传统均质材料 无法实现的优越的强度-延展性协同作用。在异质结构材料的变形过程中，由于硬/软域的相互约束，几何必要位错 (GND) 会累积 。域边界处堆积的 GND 产生异质变形诱导 (HDI) 强化，同时保持延展性。异质结构的协同硬化效应导致比“混合规则” (ROM) 预测的更好的机械性能。

尽管异质结构具有非凡的性能，但控制异质结构仍具有挑战性 。为了实现稳健的 HDI 强化，异质性应控制为适当的尺寸、几何形状和分布。迄今为止，已经利用了各种异质结构，包括梯度结构、多相结构和双峰结构。然而，制造异质结构合金的传统路线需要从铸造到退火的繁琐程序。通过表面改性实现异质结构的最新进展可以通过简单地对材料表面施加变形或成分梯度来减少制造过程的巨大潜力 。

激光表面工程对基材表面进行涂层或改性，具有精度、可控性和减少变形的优点。激光表面织构化和硬化可以通过直接激光烧蚀、激光干涉和激光冲击处理以及通过快速冷却在表面上形成马氏体来提高摩擦学性能。同时，激光熔覆和激光表面合金化通过在表面沉积保护层来改变表面特性。特别是，激光熔覆已被用于增强取决于沉积材料的特定表面特性，例如硬度、腐蚀、磨损或抗氧化性，这可以被视为异质结构的直接且单一工艺的方法。

因此，在本研究中，浦项科技大学Hyoung SeopKim等人在具有相同材料沉积的薄 316L 奥氏体不锈钢板的两侧实施激光熔覆，以提高强度-延展性协同作用。激光熔覆锻件显示出具有不同硬度分布的异质结构，并表现出增强的强度和轻微的伸长率损失。我们证实，目前的异质结构合金是通过简单的激光熔覆方法制造的，通过大量的 HDI 强化，具有强度-延展性的优越组合。相关研究成果以题“Heterostructured alloys with enhanced strength-ductility synergy through laser-cladding”发表在国际著名期刊Scripta Materialia上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222002299

激光熔覆实验是使用直接能量沉积 (DED) MX-lab 机器（InssTek Co.，韩国）进行的。对于激光熔覆，MK Inc. 的气体雾化用于生产具有球形形态的 316L 不锈钢 (STS) 粉末（图 1a），平均粒径约为 x223C89.3 μm（图1b）。STS粉末的标称成分重量百分比为Fe-17.3Cr-12.1Ni-2.6Mo-0.6Si-0.5Mn。

图 1。(a) STS 粉末的 SEM 显微照片。(b) STS 粉末的粒度分布。(c) 用于激光熔覆的扫描策略示意图。(d) 示意图显示了在锻件两侧具有激光熔覆层的 Wrought-Het 样品。(e) 显示 Wrought-Het 拉伸样品提取的示意图。

图 2。(a, b) Wrought-Het、(c, d) Wrought-Hom 和 (e, f) 激光沉积的显微结构：EBSD (a, c, e) IPF 和 (b, d, f) GND 图. (g)从每种材料获得的XRD 图案，显示激光熔覆样品表面上的残余拉伸应力。

图 3。(a) Wrought-Het 的硬度分布。(b) 每种材料的工程应力-应变和 (c) 应变硬化率曲线。(d) 变形微观结构分析的局部应变分布图。(e, f) Wrought-Het、(g) Wrought-Hom 和 (h) Laser-Deposit 的图像质量图受到 25% 的真实应变。(e) 和 (f) 分别对应于 Wrought-Het 样品中的基材和涂层区域。

图 4。(a) LUR 曲线，(b) 用真塑性应变绘制的 HDI 应力，以及 (c) 用真实塑性应变绘制的 HDI 应力与流动应力的比率。(d, e) Wrought-Hom 和 (f, g) Wrought-Het 在 (d, f) 未变形和 (e, g) 变形状态下的 GND 图。(h) 条形图显示未变形和变形 Wrought-Het 样品的涂层、界面和基板区域中的 GND 密度。(i) 变形的 Wrought-Hom 和 Wrought-Het 的 GND 密度分布图。(e, g, h, i) 中的变形样品经受 5% 的真应变。

图 5。Wrought-Het 与 DED 处理不锈钢和 316L 不锈钢的 Ashby 图。

在这项研究中，通过激光熔覆在锻造 316L 不锈钢上形成异质结构可提高屈服强度和抗拉强度，同时延展性损失很小与传统的锻造和整体激光熔覆合金相比。保持延展性的增强强度归因于涂层和基材之间的硬度和变形行为差异产生的高 HDI 强化。硬涂层阻碍了软基板的屈服，有效地提高了整体屈服点。此外，在塑性变形过程中，硬涂层区域的大量孪晶活动强化了机械不相容性。这种“动态异质结构”有助于 GND 在畴界面处的强烈积累，从而导致本异质结构激光熔覆合金的强度和延展性的优异组合。