浦项科技大学研究团队，无需后热处理即可兼顾强度与延展性
利用合金内部纳米结构……有望用于极低温储存及航空航天材料
一种金属合金已成功研发，可在零下196摄氏度的极低温至零上600摄氏度的高温环境下保持高强度和延展性。研究人员利用3D打印过程中在金属内部形成的微观结构，无需额外进行后热处理，便制成了既坚硬又易于延展的材料。该材料有望用于极低温储存设备及航空航天领域的结构金属部件开发。
韩国研究财团5日表示，浦项科技大学（POSTECH）绿色材料研究生院教授Kim Hyeongseop的研究团队，利用3D打印过程中形成的析出相网络结构及界面特性，研发出一种能在宽温度范围内保持强度和延展性的合金。
析出相网络结构及界面对合金变形行为的影响。合金内部面心立方（FCC）结构的基体中，形成了网状体心立方（BCC）结构析出相。变形过程中，部分界面诱导析出相内部发生塑性变形，从而提高延展性；另一些界面则促使位错积累，从而增强强度。图片由浦项科技大学博士后研究员 Park Hyojin 提供。
View original image研究成果于2日在线发表于材料科学领域国际学术期刊《自然·材料》（Nature Materials）。
一般而言，金属材料的强度提高时，其延展性往往会下降。尤其在极低温或高温环境下，金属内部的变形方式会发生变化，因此更难兼顾强度和延展性。以往通常通过在金属内部形成微小析出物来提高强度，但利用3D打印制造的部件往往需要额外进行热处理，才能获得所需的微观结构。
为克服这一局限，研究团队关注到金属在3D打印过程中快速熔化并凝固的特性。他们设计了打印工艺，使合金在激光熔化金属粉末并逐层堆叠的过程中，形成析出相相互连接、如同网状的结构。
析出相是合金内部与周围金属具有不同成分或晶体结构的微小区域。研究团队确认，析出相与包围它的基体金属之间的边界，即界面，在同时提高金属强度和延展性方面发挥着重要作用。
对实际制成的合金进行拉伸试验后发现，在零下196摄氏度、室温25摄氏度和零上600摄氏度的条件下，其屈服强度均达到1吉帕斯卡以上，均匀延伸率则为19%至26%。屈服强度是指金属开始发生永久变形时的强度；均匀延伸率是指材料在变形集中于特定部位之前均匀伸长的比例。
电子显微镜分析显示，析出相与基体之间的界面各自发挥着不同作用。部分界面会阻碍金属内部变形，从而提高强度；另一些界面则会将变形传递至析出相，使其与周围金属一同伸长。两种作用同时发生，使材料在保持坚硬的同时不易破损。
参与研究的浦项科技大学环保材料研究生院教授 Kim Hyeongseop（左，通讯作者）、日本东北大学博士后研究员 Renhao Wu（通讯作者）、浦项科技大学新材料工程系博士后研究员 Park Hyojin（第一作者）。浦项科技大学供图
View original image研究团队还通过原子尺度计算确认，这种变形机制受温度变化的影响较小。随着合金伸长，其抵抗变形的能力也会增强，即出现加工硬化效应，因此能够获得较高的延伸率。
这项研究的意义在于，仅通过3D打印工艺、无需额外进行后热处理，就实现了材料在宽温度范围内保持优异的机械性能。不过，要将其应用于实际工业生产，还需进一步验证能否在大型部件上实现同等性能，以及材料在反复受载和长时间暴露于高温环境后能否保持其特性。
Kim Hyeongseop教授表示：“这项研究提出了一种新的合金设计与强化策略，利用3D打印过程中形成的析出相网络结构及界面特性，因而具有重要意义。若要将其实际应用于极低温储存设备和航空航天领域的金属部件，还需进一步验证制造过程的可重复性和长期耐久性等。”
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