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       通过构筑金属异构材料以实现强韧均衡的材料设计和制造方法,已成为机械工程和材料科学等领域的前沿方向与研究热点。近年来,对异构金属材料内部多种强韧化机制的理解已逐渐深入,而建立强韧化增益效果与微观结构特征参量的定量关联,进而指导强韧化工艺研发,对异构金属材料的设计理论、制造成形及性能表征具有重要意义。

        华东理工大学张显程教授团队在《金属学报》期刊发表了《异构金属材料的设计与制造》一文。该文主要综述了近年来异构金属材料的微观结构调控理论基础与常用制造工艺的进展。首先按照微观调控手段对异构金属材料进行分类,随后综述了异构金属材料微观结构调控的若干理论基础,最后以“自上而下”和“自下而上”对强韧化工艺进行分类,介绍了常见的异构金属材料制备工艺方法。在此基础上,对异构金属材料设计与制造面临的挑战和发展方向进行了讨论与展望。

论文链接：

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

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图1 异构金属的分类

图2：自下而上设计法及其主要工艺参数： ( a )电沉积( ED )； ( b )粉末冶金( PM )；( c )增材制造( AM ) ( h2 -舱间距)。

论文指出，增材制造因其独特的冷热循环效应,在微观尺度上易形成异构金属材料(如图2c所示)。Lu等和Yao等利用该特性开发出多款低温高强韧性的增材制造多组元合金材料。通过调节增材制造工艺(如增材制造类型、扫描策略、激光功率等)、异种粉末类型和体积分数等参数可以在构件内形成多尺度晶粒或成分梯度结构。Tan等利用直接能量沉积技术(direct energy deposition,DED)制造出具有可控体积分数和空间周期分布的异构金属材料。与大多数报道的线性格式多材料不同,这项工作利用DED空间设计和制造的独特灵活性,通过将2种类型钢(即高强的C300马氏体时效钢和高韧性的316L不锈钢)配置在一个部件空间,从而将2种材料的优点合并,有助于设计出强韧均衡的合金或部件。此外,利用DED增材制造技术或选区激光熔化增材制造技术制备出双层梯度组织材料已成为材料宏观尺度设计的重要方式,如双梯度SS316L/In718合金等,实现了强塑均衡材料的可控制造。

 总结与展望

异质微观结构的构筑可作为独立方法或协同合金化策略来进一步突破传统金属材料的强韧性倒置关系。经过20年的发展,异构金属材料领域已逐渐成熟,研究方向已远不止局限于单一异构形式,科学家们持续从大自然中汲取灵感,已逐渐探索出多级、多尺度、多元的异构形式,确保金属材料变形过程中充足的强韧化机制。然而大自然物竞天择的筛选效率显然已不能满足日益增长的性能需求,“取法乎上,仅得其中”时刻提醒我们要取自自然,更要优于自然,亟需从已有的异构金属材料体系中量化微观结构参量与强化机制之间的关联,进而通过高通量测试技术、数据科学等手段进一步对异构金属材料进行优化设计,逐步逼近金属材料强韧性极限。其中,许多困难和挑战需要进一步克服,主要包括：

(1) 大多数精密巧妙的异构金属材料微观形态设计不具备经济可行性。由于当前的众多关于异构材料的研究制备工艺过程繁琐,成本高昂,对环境资源负担较重,目前仍集中在基于实验室的研究设施中。深化产学研合作,对接企业需求,以期发展适合工业化应用的大尺寸、低成本的可靠性制造方法,是异构金属材料领域实际应用将会面临且必须跨越的鸿沟。

(2) 面向性能优化的异构金属材料设计从“试错”到“精准”的转变。对现有多种异构金属材料的微观结构-力学性能数据库进行统计分析,运用机器学习等数据科学方法对多级异构金属材料微观结构的未来演化进化做出预测,弥补传统筛选优化的长耗时缺陷,推动异构金属材料强韧优化设计。

(3) 材料微观结构的异质性并不总能带来强韧性的提升,因此需在加工过程中保持必要异质性,避免非必要异质性,如缺陷、孔隙等。未来应澄清“制造工艺-微观结构-服役性能”的内在关联机制,进而在传统强化方法的基础上,对现有制备工艺方法进行精益优化设计,同时结合数据科学方法,发展数字制造、增材制造、纳米制造等新的制造方法,形成更精细、更先进、高可靠性的强韧化工艺库,以实现材料微观结构特征的精准调控。

(4) 目前异构金属材料领域的研究重点集中于强韧匹配,理解其塑性变形机制。亟待开展多轴、疲劳、蠕变、腐蚀等复杂服役条件下失效机理与破坏形式的研究,揭示微观损伤演化规律。此外,异构金属材料特殊的微观结构将引起基于传统损伤动力学的寿命设计和评定方法在一定程度上的失效。亟需考虑复杂微观结构-时空载荷-环境耦合下跨尺度破坏物理机制的科学描述,揭示多尺度、多维度、多场耦合的失效动力学与损伤演化规律,发展关键微观结构参量敏感的寿命设计理论与方法,以满足异构材料优异强韧匹配、高可靠性和长寿命等目标的服役需求。

论文引用信息：

张显程, 张勇, 李晓, 王梓萌, 贺琛贇, 陆体文, 王晓坤, 贾云飞, 涂善东. 异构金属材料的设计与制造[J]. 金属学报, 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