北科大曲选辉团队Acta：高通量增材制造发现材料强化新机理！

来源：材料学网

导读：北京科技大学、北京材料基因工程高精尖创新中心曲选辉、张百成研究团队，在自主开发的连续梯度增材制造技术(https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101926)基础上，通过材料成分遍历结合力学性能快速筛选，再次取得创新性成果：

铜铁合金兼具铜的高导电导热性、良好的塑性以及铁的高强度，在轨道交通、海洋船舶、航空航天以及国防军工领域具有重要应用前景。然而，铜和铁属于亚稳态难混溶合金，高温下存在液相难混溶间隙，在熔炼铜铁合金过程中会发生两相分离形成富铜区和富铁区，产生成分偏析，从而降低力学性能。很多学者尝试在熔炼阶段引入超声波、磁性等手段实现铁-铜的液滴破碎以及液相均匀分布，提高力学性能，但是由于熔炼过程冷速较慢，液相存在时间较长，导致细小液滴发生Ostwald熟化现象，形成较大的材料偏析。目前基于熔炼、形变、粉末冶金等铜铁合金制备方法尚无法实现纳米级铁颗粒的弥散分布控制。

为了解决这一问题，研究团队通过高通量实验平台对Cu10Sn-SS316L进行了全成分遍历打印，对高通量制备试样进行表征，发现了该合金体系中的微观组织与力学性能随成分变化的规律。通过实验筛选，发现在80%Cu10Sn-20%SS316L成分下，打印部件具有远高于两种原材料的力学性能(UTS>800 MPa，EL>9 %)。通过实验观察与模拟研究，在LPBF微观熔池中马尔戈尼效应以及熔池末端声波作用下，双液相被进一步分散均匀化，同时在超快冷速(106~107k/s)条件下，富铜液相发生了纳米尺度下的旋节分解，最终形成了弥散分布在铜基体中的纳米级BCC相球形铁颗粒结构，在材料形变过程中起到钉扎作用，从而提高了力学性能。这一发现为高能束增材制造材料设计与性能优化提供了一条崭新思路。相关研究成果以“Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination”为题发表在材料顶刊《Acta Materialia》上。北京科技大学博士生温耀杰与中南大学博士生吴晓科为该论文的共同第一作者，文章作者还包括中南大学张利军教授与印度、新加坡学者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119572

整体思路

图1 梯度打印示意图及试样样品。

图2 各组分分布的XRD图样。

图3 不同组分下微观组织及特征结构统计规律

图4 20, 40, 60 and 80 wt.% Cu10Sn成分切片的高倍BSE照片

图5 不同成分下的组织及取向变化

图6 具有BCC相富铁纳米球形结构的微观组织照片

图7 力学性能分布及断口照片。

图8增材制造方法和传统工艺生产的Cu-Fe合金极限抗拉强度和伸长率比较

图9 相场模拟结果

图10 沿梯度方向CSI的变化

图11 (a)从80 wt. % Cu10Sn的拉伸试样中提取的TEM明场像。(b) α-Cu和α-Fe界面的HRTEM图像和(c)基体中的层错图像，(d)为(c)中层错的FFT和IFFT图像