南京工业大学 l 激光增材制造316L不锈钢粗/细晶层状异质结构可控制备新方法

开发兼具高强度与高韧性的金属异质结构材料已成为机械工程和材料科学领域的前沿研究热点。目前，这类材料主要依赖冷轧、表面处理、物理/化学气相沉积及粉末冶金等传统技术制备。然而，这些方法普遍存在工艺复杂、难以精确调控异质区体积分数与空间分布的问题，且受限于零件的尺寸和几何形状。增材制造（AM）技术通过逐层堆积材料制造三维金属部件，凭借其极高的设计自由度、材料利用率以及独特的熔池级材料/微观结构定制能力，为解决上述挑战提供了新方案。通过精确调控激光功率、扫描速度、层厚等关键工艺参数，AM 能够实现对成形件微观组织（如晶粒形貌、相组成、织构等）的精确控制，为异质结构的空间梯度设计开辟了新途径。

本研究提出了一种基于激光粉末床熔融（LPBF）的智能分层工程技术（layer-wise engineering）在316L不锈钢中制备层状异质结构。作者利用 Autodesk CAD 软件直接设计并优化了三维模型的几何尺寸与空间布局。通过在不同区域采用多组工艺参数，成功制备出由细晶（FG）层与粗晶（CG）层交替组成的异质层状结构，实现了晶粒尺寸的梯度调控。此外，该策略允许对层状结构的构筑方向以及FG/CG层的厚度进行定制化设计（图1所示）。这一方法验证了利用LPBF技术精确设计与控制微观结构的可行性，为创建具有优异力学性能的异质结构提供了一条有效途径。

图1.（a-d）两种扫描策略的示意图以及对应样品的反极图；（e）使用策略A制备的平行于构建方向的层状结构；（f）使用策略B制备的垂直于构建方向的层状结构。

异质层状结构中，粗细晶粒尺寸与形貌主要通过激光参数进行调控。采用层间单一方向扫描策略以及适当高的扫描速度和搭接间距，可以获得定向生长的粗大的柱状晶，而采用层间旋转67°扫描、低的扫描速率和较大搭接间距可以获得等轴细晶组织。打印工艺参数差异直接影响熔池传热和过冷度，进而导致微观组织发生转变。采用EBSD和TEM对粗细晶界面处的微观组织进行细致表征（图2），发现细晶区存在大量弥散分布的纳米氧化物颗粒，这些氧化物颗粒作为形核点，促进等轴晶的形成。此外，作者认为在LPBF过程中的本征热处理引起的热循环以及微区塑性变形，可以促进动态回复再结晶，从而导致316L样品中晶粒进一步细化。

图2 （a）界面附近反极图；（b）和（c）图（a）中标记放大区域的反极图和晶界分布图；（d）熔池形貌的金相显微图像；（e-g）明场下透射电镜图像，分别显示粗晶层和细晶层中存在的胞状结构和纳米颗粒；（h-l）纳米颗粒的扫描透射电子显微镜图像和对应的能谱分布图；(m) 晶粒取向差图，显示细晶层中的再结晶晶粒。

图3 （a）具有不同微观结构的LPBF制备样品与传统锻造样品的工程应力-应变曲线。（b）与现有相关加工工艺制备的316L的力学性能比较；（c）H 420样品原位拉伸的DIC结果；（d）层界面处的TEM图像；（e-i）（d）中放大区域的微观结构。

通过LPBF制备的异质层状结构试样展现出优异的强度-延展性，其强度介于LPBF制备的纯细晶样品和纯粗晶样品之间，但延展性远高于细晶样品。作者将层状结构316L样品的屈服强度、延伸率与其他相关工艺制备的316L样品进行比较，该异质结构样品的强塑性优于同类别的316L不锈钢样品。图3 DIC结果中的局部应变演化表明：随着应变水平增加，在粗晶粒/细晶粒层界面处观察到明显的局部应变集中，体现了异质界面的应力再分配作用。采用TEM分析一定变形量粗细晶层厚界面，发现细晶粒区及界面附近均观察到明显的胞状位错结构，细晶粒区胞内仅存在少量堆垛层错，而在界面区域则观察到形变孪晶。异质层状结构样品中层间的变形失配导致应变分配、层界面处的位错缠结，形成显著应变梯度及高GNDs密度，诱发形变孪晶。两个区域的变形组织差异产生的强化效应导致更好的强度于延展性。

相关研究成果以“Heterogenous lamellar structure designed in additively manufactured 316L stainless steel through layer-wise engineering” 为题的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心谢信亮副教授，通讯作者为先进轻质高性能材料研究中心刘庆教授，南京工业大学硕士生周博、彭传强、张方贤、赖庆全教授、晁琦教授、范国华教授为论文的共同作者，南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心为第一通讯单位。

*本文由MRL编辑部邀请，作者团队供稿。

文献链接：

Xinliang Xie*, Bo Zhou, Chuanqiang Peng, Fangxian Zhang, Qingquan Lai, Qi Chao, Guohua Fan &Qing Liu*(2025) Heterogenous lamellar structure designed in additively manufactured 316L stainless steel through layer-wise engineering, Materials Research Letters, 13:7, 739-748.

图文供稿 |南京工业大学范国华教授团队

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