异构化是一种将金属材料的“香蕉形”强度-塑性曲线推到右上角的策略，是目前提高工程材料的强度和塑性的重要途径。设计具有晶粒尺寸在空间呈梯度分布的异质结构是优化强度和延展性的有效策略。目前，研究学者们采用了不同的方法在合金中引入异质结构，主要包括表面机械处理技术、动态塑性变形、高压扭转、叠轧方法等。而这些常规方法往往需要大变形或预变形方法，仅适用于表面梯度，但对于几何形状复杂的构件难以实现。力学研究所团队提出了耦合超声波增材制造技术手段，基于超声波形成的“气穴效应”增加固液前端过冷度的基本原理，采用自主搭建外部超声波场耦合增材制造技术手段，实现了主动调控微结构的特征尺寸、促进柱状晶向等轴晶转化以及晶粒尺寸细化。基于层级梯度结构特点和界面修饰，实现了强韧化的匹配。该工作以“Heterogeneous microstructures by combining laser additive manufacturing with auxiliary ultrasound field for strength-ductility betterment”为题发表在《International Journal of Plasticity》期刊上。

本研究通过耦合超声增材制造，制备了异质结构316L不锈钢，该合金呈现出跨尺度的层级微观结构，其范围涵盖毫米级晶粒、微米级胞结构以及分布于胞壁中的Fe-Cr σ相与L1₂纳米析出相层级梯度微结构。本研究揭示了跨尺度与化学成分扰动的独特胞结构特征，明晰了多级孪晶与亚稳态胞状结构对位错滑移的协同效应的作用机制。层级异质结构316L不锈钢实现了抗拉强度高达1 GPa的同时，保持约12.5%的延伸率。本研究通过激光增材制造结合超声技术实现了可控多级异质微观结构的调控，为微结构设计与制造开辟了新途径。

第一作者为力学所李娜助理研究员，李玉琼研究员和魏宇杰研究员为共同通讯作者。上述研究得到了“非线性力学中的多尺度问题”项目（No. 12588201）和国家自然科学基金（No. 12302109）等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104481

图1. 通过超声耦合增材制造层级异构316L不锈钢，具有异质的层级微结构特征和析出相分布的微结构特征