導讀：異質結構最近已成為一種流行的選擇，在合金中可提供強度和延展性的出色組合。然而，它的生產是一個具有挑戰性的多步驟過程。本文提出了一種簡單的工藝來開發異質結構合金，該方法是在鍛造材料的表面上激光熔覆一層相同材料的薄層。與單片激光熔覆和鍛造 316L 不銹鋼相比，異質結構的激光熔覆鍛造樣品表現出更高的強度和延展性。位于涂層區域的增強孿晶活性產生了高度的機械不相容性，異質結構激光熔覆樣品的異質變形誘導強化導致強度-延展性協同作用增強。對于激光熔覆的可用材料，這種方法簡單且可行。

異質結構設計作為一種新興的方法引起了極大的關注，以實現傳統均質材料 無法實現的優越的強度-延展性協同作用。在異質結構材料的變形過程中，由于硬/軟域的相互約束，幾何必要位錯 (GND) 會累積 。域邊界處堆積的 GND 產生異質變形誘導 (HDI) 強化，同時保持延展性。異質結構的協同硬化效應導致比“混合規則” (ROM) 預測的更好的機械性能。

盡管異質結構具有非凡的性能，但控制異質結構仍具有挑戰性 。為了實現穩健的 HDI 強化，異質性應控制為適當的尺寸、幾何形狀和分布。迄今為止，已經利用了各種異質結構，包括梯度結構、多相結構和雙峰結構。然而，制造異質結構合金的傳統路線需要從鑄造到退火的繁瑣程序。通過表面改性實現異質結構的最新進展可以通過簡單地對材料表面施加變形或成分梯度來減少制造過程的巨大潛力 。

激光表面工程對基材表面進行涂層或改性，具有精度、可控性和減少變形的優點。激光表面織構化和硬化可以通過直接激光燒蝕、激光干涉和激光沖擊處理以及通過快速冷卻在表面上形成馬氏體來提高摩擦學性能。同時，激光熔覆和激光表面合金化通過在表面沉積保護層來改變表面特性。特別是，激光熔覆已被用于增強取決于沉積材料的特定表面特性，例如硬度、腐蝕、磨損或抗氧化性，這可以被視為異質結構的直接且單一工藝的方法。

因此，在本研究中，浦項科技大學Hyoung SeopKim等人在具有相同材料沉積的薄 316L 奧氏體不銹鋼板的兩側實施激光熔覆，以提高強度-延展性協同作用。激光熔覆鍛件顯示出具有不同硬度分布的異質結構，并表現出增強的強度和輕微的伸長率損失。我們證實，目前的異質結構合金是通過簡單的激光熔覆方法制造的，通過大量的 HDI 強化，具有強度-延展性的優越組合。相關研究成果以題“Heterostructured alloys with enhanced strength-ductility synergy through laser-cladding”發表在國際著名期刊Scripta Materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222002299

激光熔覆實驗是使用直接能量沉積 (DED) MX-lab 機器（InssTek Co.，韓國）進行的。對于激光熔覆，MK Inc. 的氣體霧化用于生產具有球形形態的 316L 不銹鋼 (STS) 粉末（圖 1a），平均粒徑約為 x223C89.3 μm（圖1b）。STS粉末的標稱成分重量百分比為Fe-17.3Cr-12.1Ni-2.6Mo-0.6Si-0.5Mn。

圖 1。(a) STS 粉末的 SEM 顯微照片。(b) STS 粉末的粒度分布。(c) 用于激光熔覆的掃描策略示意圖。(d) 示意圖顯示了在鍛件兩側具有激光熔覆層的 Wrought-Het 樣品。(e) 顯示 Wrought-Het 拉伸樣品提取的示意圖。

圖 2。(a, b) Wrought-Het、(c, d) Wrought-Hom 和 (e, f) 激光沉積的顯微結構：EBSD (a, c, e) IPF 和 (b, d, f) GND 圖. (g)從每種材料獲得的XRD 圖案，顯示激光熔覆樣品表面上的殘余拉伸應力。

圖 3。(a) Wrought-Het 的硬度分布。(b) 每種材料的工程應力-應變和 (c) 應變硬化率曲線。(d) 變形微觀結構分析的局部應變分布圖。(e, f) Wrought-Het、(g) Wrought-Hom 和 (h) Laser-Deposit 的圖像質量圖受到 25% 的真實應變。(e) 和 (f) 分別對應于 Wrought-Het 樣品中的基材和涂層區域。

圖 4。(a) LUR 曲線，(b) 用真塑性應變繪制的 HDI 應力，以及 (c) 用真實塑性應變繪制的 HDI 應力與流動應力的比率。(d, e) Wrought-Hom 和 (f, g) Wrought-Het 在 (d, f) 未變形和 (e, g) 變形狀態下的 GND 圖。(h) 條形圖顯示未變形和變形 Wrought-Het 樣品的涂層、界面和基板區域中的 GND 密度。(i) 變形的 Wrought-Hom 和 Wrought-Het 的 GND 密度分布圖。(e, g, h, i) 中的變形樣品經受 5% 的真應變。

圖 5。Wrought-Het 與 DED 處理不銹鋼和 316L 不銹鋼的 Ashby 圖。

在這項研究中，通過激光熔覆在鍛造 316L 不銹鋼上形成異質結構可提高屈服強度和抗拉強度，同時延展性損失很小與傳統的鍛造和整體激光熔覆合金相比。保持延展性的增強強度歸因于涂層和基材之間的硬度和變形行為差異產生的高 HDI 強化。硬涂層阻礙了軟基板的屈服，有效地提高了整體屈服點。此外，在塑性變形過程中，硬涂層區域的大量孿晶活動強化了機械不相容性。這種“動態異質結構”有助于 GND 在疇界面處的強烈積累，從而導致本異質結構激光熔覆合金的強度和延展性的優異組合。