【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】異構(gòu)化是一種將金屬材料的“香蕉形”強度-塑性曲線推到右上角的策略，是目前提高工程材料的強度和塑性的重要途徑。設(shè)計具有晶粒尺寸在空間呈梯度分布的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是優(yōu)化強度和延展性的有效策略。目前，研究學(xué)者們采用了不同的方法在合金中引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要包括表面機械處理技術(shù)、動態(tài)塑性變形、高壓扭轉(zhuǎn)、疊軋方法等。而這些常規(guī)方法往往需要大變形或預(yù)變形方法，僅適用于表面梯度，但對于幾何形狀復(fù)雜的構(gòu)件難以實現(xiàn)。力學(xué)研究所團隊提出了耦合超聲波增材制造技術(shù)手段，基于超聲波形成的“氣穴效應(yīng)”增加固液前端過冷度的基本原理，采用自主搭建外部超聲波場耦合增材制造技術(shù)手段，實現(xiàn)了主動調(diào)控微結(jié)構(gòu)的特征尺寸、促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化以及晶粒尺寸細(xì)化。基于層級梯度結(jié)構(gòu)特點和界面修飾，實現(xiàn)了強韌化的匹配。該工作以“Heterogeneous microstructures by combining laser additive manufacturing with auxiliary ultrasound field for strength-ductility betterment”為題發(fā)表在《International Journal of Plasticity》期刊上。
本研究通過耦合超聲增材制造，制備了異質(zhì)結(jié)構(gòu)316L不銹鋼，該合金呈現(xiàn)出跨尺度的層級微觀結(jié)構(gòu)，其范圍涵蓋毫米級晶粒、微米級胞結(jié)構(gòu)以及分布于胞壁中的Fe-Cr σ相與L1?納米析出相層級梯度微結(jié)構(gòu)。本研究揭示了跨尺度與化學(xué)成分?jǐn)_動的獨特胞結(jié)構(gòu)特征，明晰了多級孿晶與亞穩(wěn)態(tài)胞狀結(jié)構(gòu)對位錯滑移的協(xié)同效應(yīng)的作用機制。層級異質(zhì)結(jié)構(gòu)316L不銹鋼實現(xiàn)了抗拉強度高達(dá)1 GPa的同時，保持約12.5%的延伸率。本研究通過激光增材制造結(jié)合超聲技術(shù)實現(xiàn)了可控多級異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，為微結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造開辟了新途徑。
第一作者為力學(xué)所李娜助理研究員，李玉瓊研究員和魏宇杰研究員為共同通訊作者。上述研究得到了“非線性力學(xué)中的多尺度問題”項目(No. 12588201)和國家自然科學(xué)基金(No. 12302109)等項目的資助。
圖1. 通過超聲耦合增材制造層級異構(gòu)316L不銹鋼，具有異質(zhì)的層級微結(jié)構(gòu)特征和析出相分布的微結(jié)構(gòu)特征
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