南京工業大學：激光增材制造316L不銹鋼粗/細晶層狀異質結構可控制備新方法
開發兼具高強度與高韌性的金屬異質結構材料已成為機械工程和材料科學領域的前沿研究熱點。目前，這類材料主要依賴冷軋、表面處理、物理/化學氣相沉積及粉末冶金等傳統技術制備。然而，這些方法普遍存在工藝復雜、難以精確調控異質區體積分數與空間分布的問題，且受限于零件的尺寸和幾何形狀。增材制造（AM）技術通過逐層堆積材料制造三維金屬部件，憑借其極高的設計自由度、材料利用率以及獨特的熔池級材料/微觀結構定制能力，為解決上述挑戰提供了新方案。通過精確調控激光功率、掃描速度、層厚等關鍵工藝參數，AM 能夠實現對成形件微觀組織（如晶粒形貌、相組成、織構等）的精確控制，為異質結構的空間梯度設計開辟了新途徑。
本研究提出了一種基于激光粉末床熔融（LPBF）的智能分層工程技術（layer-wise engineering）在316L不銹鋼中制備層狀異質結構。作者利用 Autodesk CAD 軟件直接設計并優化了三維模型的幾何尺寸與空間布局。通過在不同區域采用多組工藝參數，成功制備出由細晶（FG）層與粗晶（CG）層交替組成的異質層狀結構，實現了晶粒尺寸的梯度調控。此外，該策略允許對層狀結構的構筑方向以及FG/CG層的厚度進行定制化設計（圖1所示）。這一方法驗證了利用LPBF技術精確設計與控制微觀結構的可行性，為創建具有優異力學性能的異質結構提供了一條有效途徑。
異質層狀結構中，粗細晶粒尺寸與形貌主要通過激光參數進行調控。采用層間單一方向掃描策略以及適當高的掃描速度和搭接間距，可以獲得定向生長的粗大的柱狀晶，而采用層間旋轉67°掃描、低的掃描速率和較大搭接間距可以獲得等軸細晶組織。打印工藝參數差異直接影響熔池傳熱和過冷度，進而導致微觀組織發生轉變。采用EBSD和TEM對粗細晶界面處的微觀組織進行細致表征（圖2），發現細晶區存在大量彌散分布的納米氧化物顆粒，這些氧化物顆粒作為形核點，促進等軸晶的形成。此外，作者認為在LPBF過程中的本征熱處理引起的熱循環以及微區塑性變形，可以促進動態回復再結晶，從而導致316L樣品中晶粒進一步細化。
通過LPBF制備的異質層狀結構試樣展現出優異的強度-延展性，其強度介于LPBF制備的純細晶樣品和純粗晶樣品之間，但延展性遠高于細晶樣品。作者將層狀結構316L樣品的屈服強度、延伸率與其他相關工藝制備的316L樣品進行比較，該異質結構樣品的強塑性優于同類別的316L不銹鋼樣品。圖3 DIC結果中的局部應變演化表明：隨著應變水平增加，在粗晶粒/細晶粒層界面處觀察到明顯的局部應變集中，體現了異質界面的應力再分配作用。采用TEM分析一定變形量粗細晶層厚界面，發現細晶粒區及界面附近均觀察到明顯的胞狀位錯結構，細晶粒區胞內僅存在少量堆垛層錯，而在界面區域則觀察到形變孿晶。異質層狀結構樣品中層間的變形失配導致應變分配、層界面處的位錯纏結，形成顯著應變梯度及高GNDs密度，誘發形變孿晶。兩個區域的變形組織差異產生的強化效應導致更好的強度于延展性。
相關研究成果以“Heterogenous lamellar structure designed in additively manufactured 316L stainless steel through layer-wise engineering” 為題的研究論文發表在Materials Research Letters上。論文的第一作者為南京工業大學先進輕質高性能材料研究中心謝信亮副教授，通訊作者為先進輕質高性能材料研究中心劉慶教授，南京工業大學碩士生周博、彭傳強、張方賢、賴慶全教授、晁琦教授、范國華教授為論文的共同作者，南京工業大學先進輕質高性能材料研究中心為第一通訊單位。
*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。
文獻鏈接：
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.
圖文供稿 |南京工業大學范國華教授團隊
(責任編輯：admin)
德克薩斯大學研究人員開發
IBM取得“虛擬現實+3D打印
3D打印技術突破：生物工程
仿生3D打印實現＂軟硬通吃
重慶大學-同濟大學-北京大
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強
