中南大学&香港理工顶刊丨多相结构赋能激光选区熔化Fe‑Mn‑Cu合金实现强度‑塑性‑硬化协同提升
摘要
增材制造 Fe‑Mn 合金在可降解骨科承重应用中极具潜力，但快速冷却下过量 ε‑马氏体生成，限制其强度‑塑性‑加工硬化协同性能。本文采用Cu 合金化 + 激光选区熔化（LPBF） 策略，构建由 γ‑奥氏体（71.9~98.8 vol.%）、ε‑马氏体、α‑铁素体与富 Cu 纳米析出相组成的多相结构。随 Cu 含量提升，合金织构逐渐弱化，热累积增加促使位错胞更均匀分布，Mn 与 Cu 在位错胞壁偏析。Fe‑18Mn‑1Cu 合金层错能（‑25.4 mJ/m²）接近 Fe‑18Mn，变形中TRIP 与 TWIP 效应协同；分子动力学表明，TRIP/TWIP 持续生成硬马氏体与变形孪晶，相界面应力 / 应变分配强化，提升位错动力学与强度、硬化能力。Fe‑18Mn‑3Cu 以位错滑移为主，ε‑马氏体耗尽导致加工硬化减弱，仅靠位错胞与少量 α'‑马氏体协调变形。Fe‑18Mn‑1Cu 合金抗拉强度达837 MPa、延伸率16%、加工硬化率～9000 MPa，综合性能最优。本文通过多尺度实验与模拟完善 Fe‑Mn‑Cu 多相结构设计理论，定量解析强化机制，证实其在骨科承重植入物的应用可行性。
部分图文
部分图文
可降解金属植入材料是骨科临床的重要发展方向，铁基合金凭借优异力学性能与生物相容性成为研究热点。如何突破增材制造 Fe‑Mn 合金强度‑塑性‑加工硬化难以兼顾的瓶颈？本文通过 Cu 合金化与激光选区熔化（LPBF）联用，构建多相协同结构，实现力学性能大幅跃升，为可降解承重骨植入物提供全新设计思路。
主要亮点
Cu 合金化突破性能瓶颈
通过 1 wt.% Cu 添加，稳定 γ‑奥氏体、抑制过量马氏体，同时保留 TRIP+TWIP 协同变形，解决传统 Fe‑Mn 合金塑性差、硬化不足问题。 多相结构与元素偏析协同
γ‑奥氏体 /ε‑马氏体 /α‑铁素体 / 富 Cu 析出相多相共存，Mn、Cu 在位错胞壁偏析调控层错能，实现软硬相协调变形。 相界面应力 / 应变分配强化
软硬相界面产生应力梯度与位错塞积，触发界面强化，显著提升加工硬化率与强塑性匹配。 增材制造适配性强
基于 LPBF 快速凝固特性，精准调控组织与性能，适配个性化骨植入物定制需求。 生物医用潜力突出
合金元素 Fe、Mn、Cu 均具生物相容性，降解速率可控，兼顾力学承载与体内安全降解。
图 1
(a) Fe‑18Mn 预合金粉末形貌；(b‑c) Fe、Mn 元素分布及质量分数；(d) 合金粉末粒径分布
图 2
(a‑b) 低倍与高倍下 Cu 粉末显微组织；(c) FS121M 设备显示；(d) 铺粉、激光扫描打印过程；(e) LPBF 成形试样；(f) 拉伸试样几何尺寸；(g) Ag 靶透射式 X 射线衍射装置
图 3
不同激光工艺参数下 Fe‑18Mn‑xCu 合金抗拉强度（UTS）与延伸率（El）关系散点图
图 4
(a) Fe‑Mn‑Cu 合金典型胞状与柱状亚晶；(b₁‑b₄) 1Cu 合金均匀针状相 SEM 形貌与 EDS 面扫；(c) EDS 能谱
图 5
1Cu 与 3Cu 合金水平方向（XY 面）EBSD 分析：(a‑b) 反极图（IPF）；(c‑d) 相分布与晶界图；(e‑f) 平均晶粒尺寸直方图
图 6
1Cu 与 3Cu 合金水平方向（XY 面）：(a‑b) kernel 平均取向差（KAM）图；(c‑d) 孪晶界图
图 7
1Cu 与 3Cu 合金成形方向（XZ 面）EBSD 分析：(a‑b) 反极图（IPF）；(c‑d) 相分布与晶界图
图 8
基于有限元（FEM）的熔池温度演化与冷却速率热模拟：(a‑b) 1Cu 与 3Cu 合金垂直激光扫描方向截面温度场；(c) 熔池表面中心点热历史；(d) 熔池最高温度放大图；(e) 熔池中心点冷却速率变化
图 9
(a) 1Cu 与 3Cu 合金工程应力‑应变曲线；(b) 力学性能柱状图；(c) 真应力‑应变与加工硬化率曲线
图 10
1Cu 合金 TEM 分析：(a‑b) 胞状亚结构、位错与层错明 / 暗场形貌；(c) 高倍 TEM 与选区电子衍射（SAED）；(d) 高角环形暗场（HAADF）与 EDS 面扫
图 11
3Cu 合金 TEM 分析：(a‑b) 胞状亚结构、位错与层错明场形貌及 SAED；(c‑d) 位错胞与析出相 HAADF 及 EDS 面扫
图 12
1Cu 与 3Cu 合金：(a) 层错模型 DFT 计算；(b) 广义层错能随位移变化曲线
图 13
1Cu 与 3Cu 合金分子动力学（MD）模拟：(a‑b) 快速冷却多晶结构模型；(c‑d) 晶界元素偏析
图 14
(a) 相形成能随结构变化；(b) 界面能随 Cu 含量变化定量模拟结果
图 15
(a‑b) 不同拉伸应变下 1Cu 与 3Cu 合金 XRD 图谱；(c‑d)γ‑FCC、ε‑HCP、α/α'‑BCC 相体积分数
图 16
1Cu 合金均匀变形区与颈缩区 EBSD 分析：(a‑b) 相分布与晶界图；(c‑d) KAM 图
图 17
1Cu 合金均匀变形区 TEM 分析：(a‑c)α'‑马氏体相变明场、高分辨 TEM（HRTEM）与逆傅里叶变换（IFFT）；(d‑e)γ→ε→α' 相变明场及 SAED；(f) 变形孪晶明场及 SAED
图 18
3Cu 合金均匀变形区 TEM 分析：(a)γ 基体、层错与 α'‑马氏体相变明场；(b)γ 基体 SAED；(c‑d) 相界面 HRTEM 及 SAED；(e‑f)γ 相变形胞壁明场
图 19
3Cu 合金均匀变形区 HAADF 与 EDS 面扫
图 20
1Cu 与 3Cu 合金单晶单轴拉伸 MD 模拟
图 21
(a‑h) MD 拉伸过程中位错线变化（a‑d：1Cu；e‑h：3Cu）；(i) 不同位错长度随拉伸应变变化模拟结果；(j) 合金总位错长度变化模拟结果
图 22
(a‑c) 1Cu、(d‑f) 3Cu 合金三相半高宽（FWHM）与真实应变关系
图 23
(a‑c) 1Cu、(d‑f) 3Cu 合金不同应变下优化 Williamson‑Hall 线性关系
图 24
1Cu 与 3Cu 合金：(a、c) 不同相微观应力随真实应变变化；(b、d) 不同晶面微观应变随真实应变变化
图 25
(a) 1Cu 与 3Cu 合金位错密度随真实应变演化；(b‑c) 不同真实应变下屈服应力、位错强化及其他强化机制对流应力的贡献
图 26
1Cu 与 3Cu 合金拉伸变形机制示意图
结论/展望
结论/展望
组织特征
1Cu 合金含针状铁素体与马氏体，γ‑奥氏体占比 71.9 vol.%；3Cu 合金近全 γ‑奥氏体组织。Cu 含量提升弱化织构、提高 KAM 值、促进位错胞均匀分布，3Cu 热累积更高、熔池尺寸更大、冷却速率更低。 元素偏析与层错能
两种合金均存在 Mn、Cu 位错胞偏析；1Cu 层错能接近 Fe‑18Mn，形成高密度层错；3Cu 层错能更高，胞内变形结构少。 力学性能
3Cu 屈服强度更高（248 MPa vs. 150 MPa），但 1Cu 抗拉强度（837 MPa）、加工硬化率（~9000 MPa）显著更优，延伸率相当（~16%）。 变形机制
1Cu 以TRIP+TWIP 协同 + 相界面应力 / 应变分配强化为主；3Cu 以位错滑移为主，硬化能力弱。 应用价值
Fe‑18Mn‑1Cu 合金强塑性与加工硬化协同最优，以 γ‑奥氏体为主、兼具非磁性与生物相容性，是增材制造可降解铁基骨替代材料的理想候选。
