NUS\清华\A*STAR: 增材制造单晶—“三角函数”梯度微观组织突破传统应变梯度强化瓶颈，并实现性能的“按需定制”

由新加坡国立大学(NUS)闫文韬长聘副教授领导的研究团队，联合清华大学和新加坡科技局A*STAR，利用电子束增材制造技术成功打印了大尺寸单晶合金，揭示了枝晶附近的具有“正/反余弦”分布的多重梯度微观组织(TGMs)，此时金属的强韧化依赖不同类梯度组织的“相位关系”，突破传统梯度组织的应变梯度强化的理论瓶颈，实现高温下强度/韧性的同时提升，并赋能力学性能的“按需定制”。本研究阐明了增材合金中普遍存在的强枝晶影响机理，并启发高性能增材合金的设计。此成果已发表在Nature系列子刊Nature Communications，论文题目为“Trigonometric gradient microstructures in additively manufactured single crystals enable strength-ductility synergy and programmable performance”。

1.增材单晶上具有“正/反余弦”分布的多重梯度微观组织 (TGMs)

本文提出以余弦型三角函数定量描述分布在枝晶核-枝晶间的强化相尺寸、基体通道宽度、固溶元素浓度、位错密度等4类梯度微观组织（TGMs），并通过调节函数的平均值与幅值实现微观组织的可编程调控。该函数在保持高拟合精度的同时，能简洁地刻画多枝晶的周期性分布特征。

图1增材单晶中周期分布的TGMs:a、c 展示了固溶元素 Al 和 Cr 的分布情况，对应梯度组织类型 #4。绿色和橙色箭头分别代表枝晶间与枝晶核位置。b、e 示意了从枝晶核到枝晶间的梯度组织分布，并给出了统一的三角函数表达式，用以描述增材单晶中的各类梯度组织特征。d 显示枝晶间区域附近的 γ′ 相析出形貌（类型 #2）及 γ 通道结构（类型 #3）。g、h 为沿路径 B 的 γ 通道宽度与 γ′ 相面积的统计结果。f 为 GROD 图，揭示残余塑性变形主要集中在枝晶间（类型 #1）。i、j 为透射电镜图像，对应枝晶核与枝晶间的位错分布。

2. TGMs 对力学性能的影响机理

为揭示 TGMs 对变形行为的影响，本研究开发了高温双尺度原位DIC技术，可同时获取毫米尺度与枝晶尺度应变，测试温度包括室温-980°C。实验显示，经 1050°C热处理消除TGMs 后，材料强度显著下降，而延展性增加，表明 TGMs 对力学性能的重要影响。模拟结果表明，在初始梯度位错和残余应力存在的情况下，#3 和 #4 TGMs 的幅值可同时提升强度与延展性，其延展性提升程度随温度提升而增强。相比铸态多晶的传统梯度微观组织，增材单晶中原位生成的 TGMs 可改善强度和塑性，高温下对延展性的提升尤为显著。

图2TGMs 对力学性能的影响:比较了有无 TGMs 的实验应力–应变响应。采用双尺度 DIC 技术对样品进行表征，AM 单晶中有益 TGMs（类型 #3 和 #4）对延展性和强度均产生正向贡献，优于铸态 Ni 基多晶的典型梯度显微组织。

3. TGMs引起的枝晶尺度应变分离行为

基于枝晶尺度的DIC实验揭示了TGMs引起的应变分离规律。沿加载方向的应变εxx在滑移带内呈周期性波动，峰谷分别对应枝晶核和枝晶间位置，且随整体应变增大而更显著。去除TGMs后，应变不再与枝晶位置相关，而集中于碳化物处，表明TGMs显著影响微观变形模式。侧向应变εyy进一步反映了初始位错和残余应力分布：存在TGMs时，枝晶核的|εyy|高于枝晶间约10%，说明其因拉应力和较低硬化率更易发生塑性变形，导致更强的泊松效应。随着整体变形加剧，枝晶核与枝晶间的应变差逐渐降低，表明初始梯度强化与残余应力的影响被后续塑性变形所消解。

图3TGMs 诱导的应变分离行为:a–d 展示了在 900 °C 滑移带附近TGMs引起的 εxx 分布与演化，可见应变主要集中在枝晶核处。e–h为 980 °C 无滑移带情况的横向应变 εyy 分布，显示 εyy 也集中于枝晶核。i、j 为无 TGMs 情况下 900 °C 的应变分布，εxx 主要集中在碳化物处，且 εyy 与枝晶位置无关。k 显示沿路径 B–B′ 的 εxx 分布，表明应变分离程度随整体应变增加而增强。l 为沿路径 A–A′ 的 εyy 分布，其应变分离程度随整体应变增大而减弱。

4. TGMs对宏观强度和韧性的影响机理

TGMs可分为两类，对强度与延展性具有相反影响：当滑移阻力呈余弦分布并与初始位错密度反相时，可同时提升强度与塑性；而滑移阻力呈反余弦分布、与初始位错密度同相时，则削弱二者。由此表明，在具有显著位错密度梯度的增材单晶中，TGMs 通过上述“同相/反相“规律影响力学性能，而非传统的应变梯度GND机制。增强余弦型 TGMs 有助于突破强度与延展性的权衡关系，从而克服了传统应变梯度强化理论的局限。

图4TGMs 对力学性能的影响机理: a–d 展示了在室温与 980 °C下有/无滑移带时的应变、应力与损伤分布，以及 TGMs 调控下的应变分配机制。e、f 给出了不同类型 TGMs 对强度与延伸率的贡献。Ai 与 Bi 分别表示第 i 类 TGM 的幅值与平均值，以上定量结果由CPFE模拟给出。g 显示 TGMs 诱导的GND对应力–应变的影响。h 为有/无滑移带情况下的 GND 密度分布。i、j 展示了变形早期沿路径 A–A′ 的滑移阻力、应力与滑移速率分布。

5. TGMs赋能的力学性能“按需定制”

通过改变扫描速度调节TGMs的强度，实现了力学性能调节，并验证了TGMs的”反相位”强/韧化机理。此外，通过开展高通量模拟，给出了TGMs和强度/韧性的映射关系，并利用热处理对TGMs的强度进行调控，可以实现强度和韧性的大范围“按需定制”。

图5 TGMs 对力学性能的调控: a通过调整扫描速度，调控类型 #1 和 #3 的 TGMs，更高的扫描速度可增强 TGM 强度。b、c 通过提高扫描速度增强 TGMs，可同时提升材料的强度和延展性。d 定义参数 ki，用于在热处理过程中定量调控各类型 TGMs 的强度。e、h 展示了 980 °C 下强度与延伸率随 ki 的变化关系。f、i 映射了室温下强度和延伸率随 k1 与k3 的变化趋势，并标示出通过调控热处理时间实现力学性能可调的路径。g 不同热处理时长下的 GROD 分布表明，位错密度的平均值和幅值均随热处理时间显著降低。

综上所述，不同于传统 GND 强化，TGMs 提升高温强度与延展性依赖于梯度滑移阻力与初始位错密度的“反相位”关系。通过调节打印参数与热处理时间，可实现 TGMs 的按需定制，从而获得可编程力学性能。该机制有望推广至其他具有强枝晶特征的增材合金，如钢、Ti、Al 及多晶高温合金等，为增材制造合金的性能优化提供新策略。