用相变“编程”微观组织：激光粉末床熔融实现异质结构，强度、塑性与韧性协同提升
异质结构材料：突破强度与韧性权衡
近年来，材料科学领域逐渐从均匀材料设计转向结构化材料设计（architectured materials）。所谓异质结构材料，是指在同一材料内部通过人为设计，使不同区域具有不同的微观结构与力学性能，例如硬–软层状结构或梯度结构。这种设计能够通过区域之间的相互作用产生协同效应，使材料性能超越简单的混合规律。
在自然界和工程材料中，这种设计理念已经广泛存在。例如许多结构材料具有坚硬外层与韧性内部的结构，以同时实现耐磨性与抗冲击能力。不同区域之间的应力重新分配、应变分配以及裂纹偏转等机制，使材料在保持高强度的同时延缓断裂发生。然而，在传统制造过程中获得这种结构并不容易。常见方法往往需要复杂的多步工艺，例如: 表面渗碳或渗氮处理, 粉末冶金或多材料复合, 多次热处理与变形加工。这些方法不仅工艺复杂，而且在复杂几何结构部件中难以实现精确控制。
增材制造为结构化材料提供新路径
金属增材制造（Additive Manufacturing，AM），也称为金属3D打印，通过逐层熔化与凝固构建材料，使复杂结构的制造成为可能。更重要的是，在增材制造过程中，每一个微小熔池都会经历独立的加热与冷却循环，因此打印参数可以直接调控材料的局部热历史。
近年来，一些研究已经利用增材制造构建单一材料的结构化微观组织（Monolithic Architectured Materials, MAM）。然而，大多数工作主要集中在晶粒结构调控，例如：晶粒尺寸梯度，晶体取向调控，再结晶组织。但这些结构变化带来的性能提升往往有限，其根本原因在于晶粒结构变化产生的性能对比不足。异质结构强化的关键在于不同区域之间具有显著的力学性能差异。因此，寻找能够产生更强结构对比的微观机制成为重要研究方向。
相变调控：构建强对比微观结构
相比晶粒结构调控，固态相变能够在相同化学成分下产生截然不同的微观组织。以钢为例，通过不同冷却条件可以获得：珠光体（较软），贝氏体（中等强度），马氏体（高强度）。这些组织之间在位错密度、碳固溶、析出相以及界面结构等方面存在巨大差异，因此可以形成更强的力学性能对比。研究团队正是利用这一特点，通过调节增材制造过程中的激光能量输入，使不同区域经历不同冷却路径，从而在同一材料中选择性形成不同相结构。
具体而言：低能量输入 → 冷却更快 → 马氏体主导结构；高能量输入 → 冷却较慢 → 贝氏体主导结构。通过在打印过程中交替使用两种工艺条件，研究人员成功构建出马氏体–贝氏体层状结构化材料。
图1、层状异质结构硬度分布： 层状块体中两个结构化区域之间的截面硬度分布，其中结构特征厚度分别为 (a) 0.2 mm、(b) 0.4 mm、(c) 0.6 mm、(d) 0.8 mm、(e) 1.0 mm、(f) 1.2 mm 和 (g) 1.4 mm。(a) 中的彩色带表示设计的硬区与软区位置；(h) 为结构特征厚度为 0.6 mm 的棒状试样，用于拉伸与夏比冲击性能测试。
图2、结构化界面处的微观结构表征：(a) 0.6 mm 层状块体中两个结构化区域界面的截面光学显微图。(b) (a) 中标记区域压痕的放大图，显示不同结构化区域中压痕形貌的差异。(c) 对(a)中标记的结构化界面进行的纵向电子背散射衍射反极图（EBSD-IPF）映射。(d) 由(c)提取的晶粒平均带对比度（Band Contrast, BC）图，其中颜色标尺表示带对比度数值。(e) 主要元素（Fe、C、Si 和 Mn）的能量色散 X 射线谱（EDS）分布图。(f, g) (d) 中标记区域的高倍扫描电子显微镜（SEM）图像。图中的坐标系表示样品取向，其中 Z 轴为构建方向。
异质结构带来的性能协同
力学性能测试结果表明，这种结构化碳钢表现出优异的综合性能。均匀马氏体钢具有极高强度，但延性和冲击韧性较低；而均匀贝氏体钢则具有较好的塑性和韧性，但强度较低。相比之下，结构化材料表现出更优的性能组合：屈服强度：1687 MPa；抗拉强度：1880 MPa；延伸率：7.5%；冲击功：16 J。与均匀马氏体钢相比，结构化材料在保持约90%强度的同时，延性和冲击韧性显著提高；而与均匀贝氏体钢相比，其强度又明显更高。
研究表明，这种性能提升源于异质结构中的应变分配与背应力强化机制。在加载过程中，硬的马氏体层承担主要载荷，而软的贝氏体层则发生较大塑性变形，从而在界面附近形成几何必要位错并产生内部背应力，进一步提高材料整体强度。此外，裂纹在传播过程中会在不同结构界面发生偏转或钝化，从而提高材料的断裂抗力。
图3、力学性能： (a) 结构化1080钢（MAM 1080）以及采用两种选定激光能量输入（58 J/mm³ 和 116 J/mm³）均匀加工的1080钢的典型工程应力–应变曲线。(b) 这些钢材的夏比冲击能量。(c) 结构化1080钢与各均匀加工样品之间力学性能的定量比较。(d) 这些钢材的典型真实应力–应变曲线及对应的应变硬化速率随真实应变的变化，其中实心箭头表示结构化1080钢应变硬化曲线中的一个跃升阶段。(e) 这些钢材真实应力与真实应变的对数关系图，通过线性区段的斜率确定加工硬化指数（n）。(f) 阿什比图，对比结构化1080钢与不同激光能量输入（58、69、81、93、104、116、139 和 162 J/mm³）均匀加工的1080钢之间的力学性能。
研究亮点
1、可编程相变：
利用增材制造过程中的热历史调控，实现相变路径的空间控制。
2、单一材料结构化设计：
在普通碳钢中构建异质结构，避免多材料界面带来的脆性问题。
3、优异力学性能组合：
同时实现高强度、高塑性与高冲击韧性的协同提升。
4、提供设计指导：
研究还提出了结构特征尺寸的理论模型，为未来结构化材料设计提供重要参考。
该研究展示了一种新的材料设计范式：通过增材制造调控相变，在单一材料中构建结构化微观组织。这一方法不仅拓展了增材制造在材料设计方面的应用潜力，也为开发新型高性能结构材料提供了新的思路。
来源：增材制造硕博联盟
