通過構筑金屬異構材料以實現強韌均衡的材料設計和制造方法,已成為機械工程和材料科學等領域的前沿方向與研究熱點。近年來,對異構金屬材料內部多種強韌化機制的理解已逐漸深入,而建立強韌化增益效果與微觀結構特征參量的定量關聯,進而指導強韌化工藝研發,對異構金屬材料的設計理論、制造成形及性能表征具有重要意義。

        華東理工大學張顯程教授團隊在《金屬學報》期刊發表了《異構金屬材料的設計與制造》一文。該文主要綜述了近年來異構金屬材料的微觀結構調控理論基礎與常用制造工藝的進展。首先按照微觀調控手段對異構金屬材料進行分類,隨后綜述了異構金屬材料微觀結構調控的若干理論基礎,最后以“自上而下”和“自下而上”對強韌化工藝進行分類,介紹了常見的異構金屬材料制備工藝方法。在此基礎上,對異構金屬材料設計與制造面臨的挑戰和發展方向進行了討論與展望。

論文鏈接：

https://www.ams.org.cn/article/2022/0412-1961/0412-1961-2022-58-11-1399.shtml

 圖片精選

圖1 異構金屬的分類

圖2：自下而上設計法及其主要工藝參數： ( a )電沉積( ED )； ( b )粉末冶金( PM )；( c )增材制造( AM ) ( h2 -艙間距)。

論文指出，增材制造因其獨特的冷熱循環效應,在微觀尺度上易形成異構金屬材料(如圖2c所示)。Lu等和Yao等利用該特性開發出多款低溫高強韌性的增材制造多組元合金材料。通過調節增材制造工藝(如增材制造類型、掃描策略、激光功率等)、異種粉末類型和體積分數等參數可以在構件內形成多尺度晶�；虺煞痔荻冉Y構。Tan等利用直接能量沉積技術(direct energy deposition,DED)制造出具有可控體積分數和空間周期分布的異構金屬材料。與大多數報道的線性格式多材料不同,這項工作利用DED空間設計和制造的獨特靈活性,通過將2種類型鋼(即高強的C300馬氏體時效鋼和高韌性的316L不銹鋼)配置在一個部件空間,從而將2種材料的優點合并,有助于設計出強韌均衡的合金或部件。此外,利用DED增材制造技術或選區激光熔化增材制造技術制備出雙層梯度組織材料已成為材料宏觀尺度設計的重要方式,如雙梯度SS316L/In718合金等,實現了強塑均衡材料的可控制造。

 總結與展望

異質微觀結構的構筑可作為獨立方法或協同合金化策略來進一步突破傳統金屬材料的強韌性倒置關系。經過20年的發展,異構金屬材料領域已逐漸成熟,研究方向已遠不止局限于單一異構形式,科學家們持續從大自然中汲取靈感,已逐漸探索出多級、多尺度、多元的異構形式,確保金屬材料變形過程中充足的強韌化機制。然而大自然物競天擇的篩選效率顯然已不能滿足日益增長的性能需求,“取法乎上,僅得其中”時刻提醒我們要取自自然,更要優于自然,亟需從已有的異構金屬材料體系中量化微觀結構參量與強化機制之間的關聯,進而通過高通量測試技術、數據科學等手段進一步對異構金屬材料進行優化設計,逐步逼近金屬材料強韌性極限。其中,許多困難和挑戰需要進一步克服,主要包括：

(1) 大多數精密巧妙的異構金屬材料微觀形態設計不具備經濟可行性。由于當前的眾多關于異構材料的研究制備工藝過程繁瑣,成本高昂,對環境資源負擔較重,目前仍集中在基于實驗室的研究設施中。深化產學研合作,對接企業需求,以期發展適合工業化應用的大尺寸、低成本的可靠性制造方法,是異構金屬材料領域實際應用將會面臨且必須跨越的鴻溝。

(2) 面向性能優化的異構金屬材料設計從“試錯”到“精準”的轉變。對現有多種異構金屬材料的微觀結構-力學性能數據庫進行統計分析,運用機器學習等數據科學方法對多級異構金屬材料微觀結構的未來演化進化做出預測,彌補傳統篩選優化的長耗時缺陷,推動異構金屬材料強韌優化設計。

(3) 材料微觀結構的異質性并不總能帶來強韌性的提升,因此需在加工過程中保持必要異質性,避免非必要異質性,如缺陷、孔隙等。未來應澄清“制造工藝-微觀結構-服役性能”的內在關聯機制,進而在傳統強化方法的基礎上,對現有制備工藝方法進行精益優化設計,同時結合數據科學方法,發展數字制造、增材制造、納米制造等新的制造方法,形成更精細、更先進、高可靠性的強韌化工藝庫,以實現材料微觀結構特征的精準調控。

(4) 目前異構金屬材料領域的研究重點集中于強韌匹配,理解其塑性變形機制。亟待開展多軸、疲勞、蠕變、腐蝕等復雜服役條件下失效機理與破壞形式的研究,揭示微觀損傷演化規律。此外,異構金屬材料特殊的微觀結構將引起基于傳統損傷動力學的壽命設計和評定方法在一定程度上的失效。亟需考慮復雜微觀結構-時空載荷-環境耦合下跨尺度破壞物理機制的科學描述,揭示多尺度、多維度、多場耦合的失效動力學與損傷演化規律,發展關鍵微觀結構參量敏感的壽命設計理論與方法,以滿足異構材料優異強韌匹配、高可靠性和長壽命等目標的服役需求。

論文引用信息：

張顯程, 張勇, 李曉, 王梓萌, 賀琛贇, 陸體文, 王曉坤, 賈云飛, 涂善東. 異構金屬材料的設計與制造[J]. 金屬學報, 2022, 58(11): 1399-1415.

ZHANG Xiancheng, ZHANG Yong, LI Xiao, WANG Zimeng, HE Chenyun, LU Tiwen, WANG Xiaokun, JIA Yunfei, TU Shantung. Design and Manufacture of Heterostructured Metallic Materials[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2022, 58(11): 1399-1415.

DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00370

(責任編輯：admin)

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