光束整形提升金属激光粉床熔融增材制造可持续性 ——Inconel 718 航天叶轮案例研究

传统增材制造在制备结构化材料时主要依赖多材料组合或晶粒结构调控，这些方法常存在界面脆性或性能提升有限等问题，难突破材料强度与塑性间的制约关系。澳大利亚昆士兰大学、新加坡国立大学的研究团队，在增材制造领域国际期刊 Additive Manufacturing 发表了题为“Achieving architectured microstructures in plain carbon steel through programmed phase transformation using additive manufacturing”的最新研究成果。该研究利用金属3D打印过程中可调控的热历史，通过调节打印参数实现可编程相变（programmed phase transformation），在普通碳钢中构建出马氏体–贝氏体交替的异质结构（heterostructure），从而实现强度、塑性与韧性的协同提升。文章第一作者谭启玚博士表示：“异质结构材料近年来被认为是突破传统强度—塑性矛盾的重要设计策略。通过增材制造，我们可以在同一材料中精确控制不同区域的相变路径，从而直接构建具有结构化微观组织的材料，这为材料设计提供了一种全新的思路。” 该研究探索一种新的材料设计策略——利用固态相变机制在单一合金成分中创造显著的微观组织差异，实现力学性能的协同优化，并突破传统单一组织难以兼顾强度与韧性的局限。实验设计了交替分布的“硬区”和“软区”：硬区采用低激光能量输入(58J/mm³)实现快速冷却，旨在形成高硬度的马氏体组织；软区则采用高激光能量输入(116J/mm³)实现慢速冷却，旨在形成高韧性的贝氏体组织。为减少横向热干扰，采用基于位置的扫描策略，先扫描高能区域（软区），再扫描低能区域（硬区）。 实验使用SLM125HL LPBF系统，在惰性氩气环境下调整激光功率和扫描速度，基板预热至200℃以减少残余应力并稳定成形过程。通过系统的参数研究确定了实现全致密化的能量密度窗口(58-173J/mm³)，并结合热模拟与实验验证，建立热影响区（HAZ）作用下的热干扰模型，对结构特征尺寸进行优化，最终确定0.6mm为维持稳定性能对比的最小有效特征厚度。研究结合JMatPro软件计算CCT图和CFD-DEM数值模拟，深入揭示了不同能量输入导致的冷却速率差异对相变路径选择（马氏体/贝氏体转变）的影响机制。成功建立了从工艺参数控制到热历史调控，再到相选择和性能提升的完整制造策略体系。制造出的1080MAM材料表现出优异的综合力学性能：屈服强度达1687±15MPa，抗拉强度为1880±10MPa，延伸率为7.5±0.3%，夏比冲击功为16±1J。相比均匀马氏体样品，MAM保留了90%的强度，同时延伸率提高了88%，冲击能量提升约一倍；相较于均匀贝氏体样品，强度显著提高54%，同时保持了合理的塑性和冲击韧性。性能提升源于结构化组织的协同强化机制：硬/软区差异促进应变分配并诱导异质变形强化（HDI），界面裂纹偏转提高能量吸收，从而实现强度与韧性的协同提升。 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