激光定向能量沉积制备316L-xCu功能梯度材料的微观结构演变与协同强化机制研究

【编辑推荐】本研究通过激光定向能量沉积(LDED)技术制备316L-xCu功能梯度材料(FGM)，揭示了Cu梯度添加引发的Cr偏析-高晶界密度(HGBD)梯度微观结构协同演化机制，创新性提出微/宏电偶耦合腐蚀调控策略，实现被动电流密度(ip)降低64%的同时保持强度-塑性协同提升，为海洋工程等苛刻环境用梯度材料设计提供新范式。

　　

在海洋工程、核能装备等极端服役环境中，传统均质材料常面临腐蚀防护与力学性能难以兼得的困境。尤其316L奥氏体不锈钢(ASS)虽具有优良的耐蚀性，但晶界处Cr含量低于11%时易发生晶间腐蚀(IGC)，而铜(Cu)合金化虽能提升耐蚀性却可能损害力学性能。激光定向能量沉积(LDED)技术凭借其快速冷却(10²-10⁴ K/s)和成分精准调控优势，为开发新型功能梯度材料(FGM)提供了可能。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究，通过多尺度表征揭示了316L-xCu FGM中独特的梯度微观结构演化规律及其对性能的协同调控机制。

研究采用LDED系统（1064 nm光纤激光）制备x=0-8 wt.%的316L-xCu梯度材料，结合正交实验优化工艺参数。通过电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征，电化学工作站测试极化曲线，同步辐射X射线断层扫描重构三维腐蚀形貌，纳米压痕仪绘制硬度梯度分布，首次阐明Cu梯度添加引发的"双梯度"微观结构：随Cu含量增加，Cr在高层错能晶界(HAGBs)的偏析程度提高，同时柱状晶向等轴晶转变(CET)导致晶界密度提升64%。这种特殊结构产生三重效应：1)微电偶腐蚀中Cr偏析促进保护性Cr₂O₃膜形成；2)宏电偶腐蚀中Cu合金化维持高体电位；3)梯度晶界分布诱发异质变形诱导(HDI)强化，使材料屈服强度提升28%时延伸率仍保持35%以上。

【单道形貌】优化激光功率(800-1200W)与扫描速度(6-10 mm/s)后，获得冶金质量良好的单道沉积层，为后续梯度结构构建奠定基础。

【微观结构演化机制】Cu添加改变熔池热力学参数，使温度梯度G降低而凝固速率R提升，G/R比下降促使CET发生。8 wt.% Cu样品中等轴晶比例达82%，HAGBs密度较基体提高3倍，且EBSD证实Cr在HAGBs处富集浓度达14.5 wt.%。

【力学性能】梯度结构产生持续HDI应力，使应变硬化率提高40%，断裂应变分布DIC分析显示梯度区应变局域化现象较均质材料减轻57%。

【腐蚀行为】微区电位测试显示HAGBs区域电位正移120 mV，宏观电偶电流密度降低至均质材料的1/5。原位腐蚀观测发现腐蚀裂纹在梯度界面处发生45°偏转，有效延缓裂纹扩展。

该研究突破传统FGM设计范式，提出"成分梯度-微观结构-性能响应"的协同调控新策略：通过Cu梯度添加精准调控Cr偏析行为与晶界密度分布，实现腐蚀电流抑制与力学性能提升的协同优化。特别值得注意的是，研究揭示的微/宏电偶腐蚀耦合机制为多相材料腐蚀防护提供了新思路，而梯度结构诱导的HDI效应为破解金属材料强度-塑性倒置难题开辟了新途径。这些发现对开发新一代海洋装备、核反应堆包壳等关键部件具有重要指导价值。