西交大《JMST》：亚晶强化如何让3D打印金属兼得高强度、高加工硬化与低各向异性？

金属3D打印（增材制造）凭借复杂结构一体化制造、高设计自由度以及快速成形等优势，被广泛认为是未来先进制造领域的重要发展方向。然而，面向高性能结构材料应用需求，3D打印金属仍面临诸多关键挑战，其中较低的加工硬化能力以及显著的力学性能各向异性，严重限制了其进一步工程应用。

近年来，研究发现，面心立方（fcc）金属在3D打印过程中易形成独特的亚晶/位错胞结构，并展现出良好的强塑性匹配能力，表明亚晶结构可能是调控3D打印金属力学性能的重要微观组织单元。然而，当前对“亚晶结构—力学性能”关系的研究仍主要集中于形成机制及变形行为解析，如何在不改变材料化学成分的基础上，实现亚晶结构的有效调控与强化，从而突破3D打印金属性能瓶颈，仍是该领域亟待解决的重要科学问题。

近日，西安交通大学材料科学与工程学院杨光辉助理教授与宋索成副教授合作，在该领域取得重要进展。该研究提出了一种基于“亚晶结构工程（subgrain engineering）”的新策略，通过多道次打印（multipass printing, MP）过程主动调控3D打印CoCrNi中熵合金中的亚晶结构，实现了材料强度、加工硬化能力以及力学性能各向异性的协同优化。

相关研究成果以“Subgrain engineering enables enhanced strength-ductility synergy and reduced anisotropy in additively manufactured CoCrNi alloys”为题，发表于材料领域顶级期刊《Journal of Materials Science & Technology》（影响因子16.8）。西安交通大学材料学院杨光辉助理教授与宋索成副教授为论文共同通讯作者，鲁文奇博士研究生为论文第一作者。

该研究主要揭示了以下几个关键发现：

1.不改变材料成分，如何实现亚晶结构优化？

图1单道次与重复道次激光作用下，熔池内部A点及下方热影响区B点的温度演变过程示意图。

传统增材制造过程中，打印参数（如激光功率、扫描速度和扫描间距等）的调控通常受到材料致密化窗口的限制。对于特定合金体系而言，打印参数范围有限，因此仅依靠工艺参数调整实现微观组织和性能优化存在明显局限。

针对这一问题，该研究提出了一种新的MP打印策略：在保持材料成分和主要打印参数不变的情况下，通过增加激光扫描循环次数，引入额外热循环作用（图1）。研究表明，MP打印能够显著增强打印过程中的循环热-力耦合作用，提高热影响区内的热诱导塑性变形程度，从而为亚晶结构调控提供新的自由度。

2. MP打印诱导亚晶结构演化，实现微观结构精细调控

图2MP打印诱导的微观组织演变，包括LAGB/GND密度提升及位错胞沿<111>轴旋转形成LAGB。

微观结构表征结果显示，与传统单道次打印（conventional printing, CP）相比，多道次打印样品具有更高密度的低角度晶界（LAGB）以及更高的几何必要位错（GND）密度，表明其形成了更加丰富的亚晶结构。进一步研究发现，MP打印诱导了位错胞结构沿特定<111>方向发生旋转，并促进了位错胞壁向低角度晶界亚晶结构的转变。这一过程源于循环热应力驱动的位错累积与重排，使材料内部形成更加稳定和细化的亚晶网络，从而实现有效的亚晶强化（图2）。

3.亚晶强化协同提升强度、加工硬化能力并降低力学各向异性

图3CP和MP样品的代表性拉伸应力–应变曲线、加工硬化率曲线及各向异性特征。

拉伸性能测试表明，MP打印诱导的亚晶细化显著提升了材料屈服强度，同时增强了加工硬化能力，实现了传统意义上难以兼得的高强度—高加工硬化能力协同提升。更为重要的是，MP打印还有效降低了材料沿打印方向（building direction, BD）和横向方向（transverse direction, TD）的力学性能差异，使屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率以及总延伸率的各向异性均得到明显改善。这些结果表明，亚晶强化不仅能够提高材料强度，同时能够促进更加均匀的变形行为，为解决3D打印金属长期存在的力学性能各向异性问题提供了新思路（图3）。

4.亚晶结构为何能够提升加工硬化能力？

图410%拉伸变形后MP样品的微观组织特征，表现出增强的变形孪晶和优异的GND存储能力。

为了揭示亚晶强化提升加工硬化能力的内在机制，进一步分析了拉伸变形过程中的微观组织演变。结果发现，MP打印样品在塑性变形过程中表现出更强的位错存储能力，同时出现更加明显的变形诱导孪生（deformation-induced twinning）行为。其主要原因在于：增强的亚晶界能够作为有效位错障碍，促进位错累积，提高加工硬化能力；与此同时，亚晶界还能提供孪晶的形核点，促进变形孪生形成，从而进一步提升材料的持续加工硬化能力。

综上，该研究系统揭示了“MP打印→ 亚晶结构演化 → 亚晶强化 → 高强度/高加工硬化/低各向异性协同提升”这一完整机制链。该工作不仅拓展了3D打印金属微观结构调控的新方法，也为未来通过工艺设计而非成分设计开发高性能结构材料提供了新的理论依据和技术路线。

参考文献：10.1016/j.jmst.2026.06.071

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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