南京工業(yè)大學 l 激光增材制造316L不銹鋼粗/細晶層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)可控制備新方法

來源：Materials Research Letters

開發(fā)兼具高強度與高韌性的金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料已成為機械工程和材料科學領域的前沿研究熱點。目前，這類材料主要依賴冷軋、表面處理、物理/化學氣相沉積及粉末冶金等傳統(tǒng)技術制備。然而，這些方法普遍存在工藝復雜、難以精確調(diào)控異質(zhì)區(qū)體積分數(shù)與空間分布的問題，且受限于零件的尺寸和幾何形狀。增材制造（AM）技術通過逐層堆積材料制造三維金屬部件，憑借其極高的設計自由度、材料利用率以及獨特的熔池級材料/微觀結(jié)構(gòu)定制能力，為解決上述挑戰(zhàn)提供了新方案。通過精確調(diào)控激光功率、掃描速度、層厚等關鍵工藝參數(shù)，AM 能夠?qū)崿F(xiàn)對成形件微觀組織（如晶粒形貌、相組成、織構(gòu)等）的精確控制，為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間梯度設計開辟了新途徑。

本研究提出了一種基于激光粉末床熔融（LPBF）的智能分層工程技術（layer-wise engineering）在316L不銹鋼中制備層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。作者利用 Autodesk CAD 軟件直接設計并優(yōu)化了三維模型的幾何尺寸與空間布局。通過在不同區(qū)域采用多組工藝參數(shù)，成功制備出由細晶（FG）層與粗晶（CG）層交替組成的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了晶粒尺寸的梯度調(diào)控。此外，該策略允許對層狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方向以及FG/CG層的厚度進行定制化設計（圖1所示）。這一方法驗證了利用LPBF技術精確設計與控制微觀結(jié)構(gòu)的可行性，為創(chuàng)建具有優(yōu)異力學性能的異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一條有效途徑。

圖1.（a-d）兩種掃描策略的示意圖以及對應樣品的反極圖；（e）使用策略A制備的平行于構(gòu)建方向的層狀結(jié)構(gòu)；（f）使用策略B制備的垂直于構(gòu)建方向的層狀結(jié)構(gòu)。

異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)中，粗細晶粒尺寸與形貌主要通過激光參數(shù)進行調(diào)控。采用層間單一方向掃描策略以及適當高的掃描速度和搭接間距，可以獲得定向生長的粗大的柱狀晶，而采用層間旋轉(zhuǎn)67°掃描、低的掃描速率和較大搭接間距可以獲得等軸細晶組織。打印工藝參數(shù)差異直接影響熔池傳熱和過冷度，進而導致微觀組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。采用EBSD和TEM對粗細晶界面處的微觀組織進行細致表征（圖2），發(fā)現(xiàn)細晶區(qū)存在大量彌散分布的納米氧化物顆粒，這些氧化物顆粒作為形核點，促進等軸晶的形成。此外，作者認為在LPBF過程中的本征熱處理引起的熱循環(huán)以及微區(qū)塑性變形，可以促進動態(tài)回復再結(jié)晶，從而導致316L樣品中晶粒進一步細化。

圖2 （a）界面附近反極圖；（b）和（c）圖（a）中標記放大區(qū)域的反極圖和晶界分布圖；（d）熔池形貌的金相顯微圖像；（e-g）明場下透射電鏡圖像，分別顯示粗晶層和細晶層中存在的胞狀結(jié)構(gòu)和納米顆粒；（h-l）納米顆粒的掃描透射電子顯微鏡圖像和對應的能譜分布圖；(m) 晶粒取向差圖，顯示細晶層中的再結(jié)晶晶粒。

圖3 （a）具有不同微觀結(jié)構(gòu)的LPBF制備樣品與傳統(tǒng)鍛造樣品的工程應力-應變曲線。（b）與現(xiàn)有相關加工工藝制備的316L的力學性能比較；（c）H 420樣品原位拉伸的DIC結(jié)果；（d）層界面處的TEM圖像；（e-i）（d）中放大區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。

通過LPBF制備的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)試樣展現(xiàn)出優(yōu)異的強度-延展性，其強度介于LPBF制備的純細晶樣品和純粗晶樣品之間，但延展性遠高于細晶樣品。作者將層狀結(jié)構(gòu)316L樣品的屈服強度、延伸率與其他相關工藝制備的316L樣品進行比較，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的強塑性優(yōu)于同類別的316L不銹鋼樣品。圖3 DIC結(jié)果中的局部應變演化表明：隨著應變水平增加，在粗晶粒/細晶粒層界面處觀察到明顯的局部應變集中，體現(xiàn)了異質(zhì)界面的應力再分配作用。采用TEM分析一定變形量粗細晶層厚界面，發(fā)現(xiàn)細晶粒區(qū)及界面附近均觀察到明顯的胞狀位錯結(jié)構(gòu)，細晶粒區(qū)胞內(nèi)僅存在少量堆垛層錯，而在界面區(qū)域則觀察到形變孿晶。異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)樣品中層間的變形失配導致應變分配、層界面處的位錯纏結(jié)，形成顯著應變梯度及高GNDs密度，誘發(fā)形變孿晶。兩個區(qū)域的變形組織差異產(chǎn)生的強化效應導致更好的強度于延展性。

相關研究成果以“Heterogenous lamellar structure designed in additively manufactured 316L stainless steel through layer-wise engineering” 為題的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文的第一作者為南京工業(yè)大學先進輕質(zhì)高性能材料研究中心謝信亮副教授，通訊作者為先進輕質(zhì)高性能材料研究中心劉慶教授，南京工業(yè)大學碩士生周博、彭傳強、張方賢、賴慶全教授、晁琦教授、范國華教授為論文的共同作者，南京工業(yè)大學先進輕質(zhì)高性能材料研究中心為第一通訊單位。

*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。

文獻鏈接：
Xinliang Xie*, Bo Zhou, Chuanqiang Peng, Fangxian Zhang, Qingquan Lai, Qi Chao, Guohua Fan & Qing Liu*(2025) Heterogenous lamellar structure designed in additively manufactured 316L stainless steel through layer-wise engineering, Materials Research Letters, 13:7, 739-748.

圖文供稿 |南京工業(yè)大學范國華教授團隊