導(dǎo)語(yǔ)：使用脈沖激光順序焊接和切割SS 304 L片材，增材制造了在宏觀相（具有不同微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能的區(qū)域）中具有急劇過(guò)渡的新型超金屬。通過(guò)調(diào)制激光脈沖參數(shù)，可以通過(guò)高位錯(cuò)密度使宏觀相變強(qiáng)（0.2% YS ~ 660 MPa; %EL ~ 22%）或通過(guò)相變誘發(fā)塑性（TRIP）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)延性（0.2%YS ~ 535MPa; %EL ~ 36%）。通過(guò)在焊接期間經(jīng)過(guò)選擇性區(qū)域，還可以保留金屬原料板原始加工硬化的微觀結(jié)構(gòu)和性能（0.2%YS ~ 970 MPa; %EL ~ 19%），大大提高了異相金屬的整體面內(nèi)強(qiáng)度（高達(dá)0.2%YS ~ 840 MPa; UTS ~ 975 MPa）。重要的是，變形金屬在高達(dá)其組成宏觀相應(yīng)變的2.3倍的應(yīng)變下表現(xiàn)出延遲頸縮。這是由于TRIP宏觀相賦予的增強(qiáng)的加工硬化速率和自穩(wěn)定界面剪切應(yīng)力的形成，它們共同作用以阻止可能導(dǎo)致頸縮早期發(fā)生的應(yīng)變局部化。因此，超金屬的強(qiáng)度-延展性折衷曲線超過(guò)了在更廣泛的文獻(xiàn)中報(bào)道的SS 304 L。

增材制造（AM）是一項(xiàng)變革性技術(shù)，它消除了制造的工具要求，使定制零件能夠在短的交貨期內(nèi)按需合成。它的工作原理是基于輸入數(shù)字模型在自下而上的過(guò)程中逐層構(gòu)建幾何形狀。這種工作流程適合生成懸伸結(jié)構(gòu)，因此，AM可以實(shí)現(xiàn)真正的3D幾何形狀，而不受成形制造方法或減材加工技術(shù)的限制。

這種連續(xù)制造方法的另一個(gè)關(guān)鍵好處是，它允許在單一材料中形成異質(zhì)相。例如，粉末床熔合（PBF）中能量源的功率和掃描速率可以隨著光束光柵在表面上的移動(dòng)而變化，從而在不同區(qū)域產(chǎn)生不同的冷卻速率。這導(dǎo)致金屬部件上的特定位置的晶粒尺寸和強(qiáng)度。同樣，在粘結(jié)劑噴射中，不同量的碳墨可以沉積到鋼粉末床內(nèi)的每個(gè)體素上，在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生不同程度的碳化物形成，從而在同一工件內(nèi)的不同區(qū)域中產(chǎn)生不同的機(jī)械性能。

因此，通過(guò)時(shí)空調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以在單一金屬中確定性地定義多個(gè)不同的宏觀相，通常具有比傳統(tǒng)功能梯度材料更尖銳的過(guò)渡。在這里，我們引入術(shù)語(yǔ)“宏觀相”，它是指表現(xiàn)出均勻性能、形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域（~100 μm），反過(guò)來(lái)，含有不同的微相（例如奧氏體和馬氏體，~1 μm）。此外，我們將這種具有異質(zhì)宏觀相的完全致密的單組分金屬部件稱為“異金屬”，以將其與由2種或更多種不同金屬組成的多金屬區(qū)分開(kāi)來(lái)，以及金屬超材料，即由金屬構(gòu)成的多孔晶格或泡沫。

與金屬基復(fù)合材料相比，結(jié)構(gòu)化超金屬具有某些固有的優(yōu)勢(shì)。首先，超金屬不像由不同金屬制成的多金屬?gòu)?fù)合材料那樣容易受到電偶腐蝕。此外，宏觀相的熱膨脹系數(shù)的相似性意味著超金屬不太容易由于工作溫度的變化而發(fā)生界面失效。近年來(lái)，金屬間化合物還表現(xiàn)出超過(guò)其組成材料的強(qiáng)度和延展性，這是混合物法則復(fù)合材料理論所沒(méi)有預(yù)料到的。例如，Kürnsteiner等人改變了DED沉積參數(shù)，以圖案化粗晶粒和細(xì)晶粒大馬士革鋼的交替層，其表現(xiàn)出比其“較弱”區(qū)域高30%的強(qiáng)度，同時(shí)保持類似的延展性。已經(jīng)提出，這些異金屬的強(qiáng)度源于沿著硬-軟材料界面的幾何必要位錯(cuò)（GND）的積累，這增加了總位錯(cuò)密度，并且還有助于異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化。這些機(jī)制共同提供了額外的加工硬化，以提高材料的整體強(qiáng)度和延展性。

然而，迄今為止，對(duì)增材制造金屬的研究一直由基于粉末的技術(shù)主導(dǎo)，這存在幾個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)于諸如PBF的技術(shù)，用于編程體素屬性的激光或電子束參數(shù)還必須確保形成穩(wěn)定的熔池而不產(chǎn)生諸如飛濺或孔隙截留的缺陷，因此，整個(gè)部件可以成功地3D打印，具有最小的孔隙率和良好的機(jī)械完整性。這限制了可用于性能調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)范圍。對(duì)于非激光技術(shù)，如粘合劑噴射，必須進(jìn)行高溫后處理，將金屬粉末顆粒脫粘并燒結(jié)在一起，形成連貫的金屬部件。這種處理會(huì)導(dǎo)致合金元素的顯著擴(kuò)散，從而扭曲甚至消除原始設(shè)計(jì)中預(yù)期的成分對(duì)比度。出于這些原因，迄今為止，大多數(shù)超金屬僅在面外軸（即，沿著構(gòu)建方向）上構(gòu)建，或者在面內(nèi)方向上以低分辨率展示。

為了克服這些限制，我們采用了一種定制的脈沖激光片融合技術(shù)，激光脈沖集成片（LAPIS），該技術(shù)使用不銹鋼箔（SS 304 L）作為本研究的前體材料。與粉末不同，金屬片具有抗飛濺的面內(nèi)機(jī)械完整性，因此，與基于粉末的技術(shù)相比，可用于調(diào)制體素性質(zhì)的激光參數(shù)的范圍被顯著地?cái)U(kuò)展到更高的能量密度。另外，金屬板在2D中的機(jī)械完整性允許它們的高強(qiáng)度特性被保留并整合到最終的打印結(jié)構(gòu)中。在這項(xiàng)研究中，3種不同的宏觀相配對(duì)產(chǎn)生3種等應(yīng)變組合（即Voigt模型）對(duì)不同體積比的超金屬進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)表征，以確定微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

以上內(nèi)容以“Enhanced strength and delayed necking of architected metametals 

additively manufactured via laser sheet fusion ”發(fā)表在Additive Manufacturing上。

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

圖1.本研究中使用的脈沖激光片融合技術(shù)示意圖。

①將金屬板放置在基板或先前處理的層上。②定制的格柵夾具牢固地夾緊板，然后選擇性地進(jìn)行激光焊接（紅色）以錨拉伸夾持區(qū)域。③對(duì)拉伸試樣進(jìn)行激光焊接（紅色），然后進(jìn)行激光切割（藍(lán)色輪廓）沿著拉伸設(shè)計(jì)的周邊。激光清潔步驟（黃色）去除表面氧化物，然后進(jìn)行輕磨，以消除激光切割過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺。重復(fù)步驟①至步驟②，直到完成最終零件。

圖2.（a）2DS、STRONG和堅(jiān)韌宏觀相的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（頂部插圖）STRONG單個(gè)熔池的光學(xué)顯微照片（藍(lán)色輪廓）和堅(jiān)韌（紅色輪廓）。（底部插圖）未變形和斷裂樣品的相位圖，表示由于拉伸載荷而發(fā)生的相變（如果有的話）。（b）真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（虛線）和相應(yīng)的加工硬化率曲線（實(shí)線）為強(qiáng)，堅(jiān)韌，和2DS宏觀相。這些曲線突出了三種試樣類型之間的力學(xué)響應(yīng)和加工硬化行為的差異。使用窗口大小為2的移動(dòng)平均值平滑加工硬化速率曲線，以減少噪聲并提高趨勢(shì)的清晰度。c）2DS的電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF）圖和核平均取向差（KAM）圖，堅(jiān)韌和STRONG樣品在3個(gè)不同的軸上表征，而2DS只能在2個(gè)軸上表征-其軋制方向（RD）和橫向（TD）。強(qiáng)和堅(jiān)韌的IPF圖中的黑色箭頭指的是激光掃描方向。（d）（i）2DS的數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）快照，1（b）中標(biāo)記的不同菌株的（ii）強(qiáng)和（iii）堅(jiān)韌。（i）中的紅色箭頭表示2DS中菌株定位的起始。

圖3.（a）變形金屬拉伸試棒的示意圖。不同的宏觀相用藍(lán)色和橙子表示。（b）光學(xué)顯微照片顯示了STRONG/堅(jiān)韌，/2DS/堅(jiān)韌，2DS/化學(xué)蝕刻樣品以顯示每個(gè)宏觀相的不同微觀結(jié)構(gòu)。為每個(gè)樣品設(shè)計(jì)和制造了總共15個(gè)交替的宏觀相區(qū)。c）三種宏觀相組合的EBSD IPF和晶粒取向擴(kuò)展（GOS）圖，顯示了熱影響區(qū)（HAZ）對(duì)2DS位錯(cuò)密度的影響。紅色箭頭指向2DS宏觀相中未焊接板之間的間隙。

圖4.（a、b、c）面內(nèi)實(shí)驗(yàn)（純色）和理論（虛線顏色）STRONG/堅(jiān)韌代表性樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（
 = 0.59），2DS/堅(jiān)韌（
 = 0.69）和2DS/STRONG（ 
= 0.63）異金屬。理論曲線基于混合規(guī)則計(jì)算（方程（2））.（d，e，f）超金屬樣品的面內(nèi)0.2%YS和UTS與宏觀相分?jǐn)?shù)（f）的關(guān)系。

圖5.（a）極限拉伸強(qiáng)度下的應(yīng)變，或UTS應(yīng)變（即頸縮的開(kāi)始）與2DS/STRONG和2D/堅(jiān)韌的焊接宏觀相的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。（b）STRONG/堅(jiān)韌的UTS應(yīng)變與STRONG的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。虛線表示各個(gè)2DS的UTS應(yīng)變，（c）說(shuō)明在過(guò)早應(yīng)變局部化的情況下，STRONG和2DS宏觀相之間的相互穩(wěn)定的示意圖：（i）隨著屈服下降，2DS中的應(yīng)變局部化被相鄰的強(qiáng)宏觀相阻止。箭頭表示與2DS中的局部變形相反的剪切力。（ii）在較高應(yīng)變下，強(qiáng)宏觀相中的局部頸縮被2DS中的應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變穩(wěn)定，這提高了局部加工硬化速率。(d)2DS和2DS/STRONG的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及不同應(yīng)變間隔的DIC快照。（e）具有不同焊縫分?jǐn)?shù)的兩個(gè)2DS/堅(jiān)韌樣品的EBSD KAM圖（0.61和0.68）。焊縫分?jǐn)?shù)為0.61的樣品中的2DS經(jīng)歷部分再結(jié)晶和回復(fù)，而焊接分?jǐn)?shù)為0.68的樣品中的2DS完全在熱影響區(qū)（HAZ）內(nèi)。紅色箭頭指向2DS宏觀相中未焊接的層間間隙。

圖6.比較圖顯示了SS 304 L的（a）0.2%屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，以及（b）極限拉伸強(qiáng)度和0.2%屈服強(qiáng)度，通過(guò)LAPIS、傳統(tǒng)工藝（如鑄造和熱處理）以及其他增材制造技術(shù)（包括粉末床熔合、定向能量沉積、片材層壓（LFP）和粘合劑噴射。子圖（a）中的虛線表示通過(guò)傳統(tǒng)非AM工藝和本研究中制造的部件的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡，其使用逆冪律回歸線單獨(dú)計(jì)算。

總之，使用定制增材制造技術(shù)LAPIS在增材制造的SS304L片材中產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)特的相，我們稱之為STRONG（屈服強(qiáng)度高達(dá)660 MPa），和堅(jiān)韌（通過(guò)TRIP效應(yīng)提高延展性36%）。其本身顯示出1080 MPa的優(yōu)異強(qiáng)度，但由于在屈服點(diǎn)后不久形成局部應(yīng)變而導(dǎo)致延展性差。等應(yīng)變配置與不同的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)840 MPa的面內(nèi)屈服強(qiáng)度時(shí)，保留了大部分的原始微觀結(jié)構(gòu)的2DS。

除了強(qiáng)度改進(jìn)之外，發(fā)現(xiàn)各種宏觀相的配對(duì)可以將UTS應(yīng)變提高到高于其組成材料的應(yīng)變，因?yàn)?/span>STRONG和堅(jiān)韌的均勻變形行為促進(jìn)了2DS中的連續(xù)屈服，而2DS和堅(jiān)韌的TRIP行為提供的額外加工硬化有助于穩(wěn)定可能在異金屬內(nèi)成核的任何局部應(yīng)變，從而延遲頸縮的整體開(kāi)始。當(dāng)與文獻(xiàn)中報(bào)道的其他SS304L進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，本工作中的金屬異相材料顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度，同時(shí)保持了相當(dāng)大的延展性。