【儀表網 研發快訊】異構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。設計具有晶粒尺寸在空間呈梯度分布的異質結構是優化強度和延展性的有效策略。目前，研究學者們采用了不同的方法在合金中引入異質結構，主要包括表面機械處理技術、動態塑性變形、高壓扭轉、疊軋方法等。而這些常規方法往往需要大變形或預變形方法，僅適用于表面梯度，但對于幾何形狀復雜的構件難以實現。力學研究所團隊提出了耦合超聲波增材制造技術手段，基于超聲波形成的“氣穴效應”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手段，實現了主動調控微結構的特征尺寸、促進柱狀晶向等軸晶轉化以及晶粒尺寸細化。基于層級梯度結構特點和界面修飾，實現了強韌化的匹配。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，制備了異質結構316L不銹鋼，該合金呈現出跨尺度的層級微觀結構，其范圍涵蓋毫米級晶粒、微米級胞結構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構。本研究揭示了跨尺度與化學成分擾動的獨特胞結構特征，明晰了多級孿晶與亞穩態胞狀結構對位錯滑移的協同效應的作用機制。層級異質結構316L不銹鋼實現了抗拉強度高達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合超聲技術實現了可控多級異質微觀結構的調控，為微結構設計與制造開辟了新途徑。
 

　　第一作者為力學所李娜助理研究員，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“非線性力學中的多尺度問題”項目(No. 12588201)和國家自然科學基金(No. 12302109)等項目的資助。
 

　　圖1. 通過超聲耦合增材制造層級異構316L不銹鋼，具有異質的層級微結構特征和析出相分布的微結構特征