綜述：金屬增材制造—微觀結(jié)構(gòu)演變與多階段控制（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

來自深圳大學(xué)的學(xué)者及其合作者發(fā)表了綜述：重點(diǎn)提出了一種金屬增材制造的綜合加工圖； 在熔池凝固過程中和之后，增材制造的微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展；分析了多尺度微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，并提出了微觀結(jié)構(gòu)的控制方法。本文為第一部分。

綜述全文摘要：
增材制造作為一種創(chuàng)新的工業(yè)技術(shù)，通過逐層添加材料來制造物體，因此可以以前所未有的自由度制造特定的零件。對(duì)于金屬材料，在增材制造過程中構(gòu)建了一種獨(dú)特的分層微觀結(jié)構(gòu)，使其具有許多優(yōu)良的性能。為了充分利用增材制造，需要對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的演化機(jī)制進(jìn)行深入的了解。為此，本文探討了增材制造的基本步驟，即熔池的形成和粘合。提出了一種將熔池能量和幾何相關(guān)過程參數(shù)集成在一起的綜合加工圖。在此基礎(chǔ)上，在成分熔池凝固過程中和凝固后，開發(fā)出增材制造的微觀結(jié)構(gòu)。凝固結(jié)構(gòu)由沿晶界形成的初級(jí)柱狀顆粒和細(xì)小的二級(jí)相組成。凝固后的結(jié)構(gòu)包括由內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的亞微米級(jí)位錯(cuò)胞和在相鄰熔池循環(huán)加熱過程中由本征熱處理引起的納米級(jí)沉淀。在凝固和位錯(cuò)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)多階段微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了深入的分析，并提出了多尺度的控制方法。此外，還簡(jiǎn)要討論了潛在的原子尺度結(jié)構(gòu)特征。此外，通過調(diào)整工藝參數(shù)和合金成分，解決了增材制造的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的巨大潛力。本文綜述不僅建立了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)框架，而且為通過增材制造生產(chǎn)的金屬材料的機(jī)械性能調(diào)整提供了有前途的指導(dǎo)意見。

▲圖0 全文的graphic abstract

1. 引言
增材制造是一種顛覆性技術(shù)，可根據(jù)數(shù)字模型直接逐層打印三維（3D）組件。與鑄造、鍛造和機(jī)加工等傳統(tǒng)制造方法完全不同，增材制造是一種近凈成型制造工藝，可以顯著提高設(shè)計(jì)自由度并縮短生產(chǎn)時(shí)間。因此，在即將到來的工業(yè)4.0時(shí)代，增材制造為智能制造提供了巨大的機(jī)遇。此外，增材制造是一類通用、靈活且高度可定制的生產(chǎn)技術(shù)，適用于制造各種材料，包括金屬、陶瓷和聚合物。對(duì)于金屬材料，激光或電子束通常在類似于焊接的增材制造過程中用作高強(qiáng)度熱源，其中金屬粉末被加熱到熔融狀態(tài)以形成基本的構(gòu)建單元——熔池。因此，這種類型的增材制造技術(shù)被歸類為基于熔合的增材制造。熔池的形成和隨后的結(jié)合是基于熔合的增材制造過程中的兩個(gè)基本物理過程。相比之下，增材制造也可以在固態(tài)下進(jìn)行，這在很大程度上依賴于金屬粉末顆粒的動(dòng)能而不是熱能。然而，由于固態(tài)鍵合的局限性，固態(tài)增材制造大多僅限于延展性材料。

在基于熔合的增材制造中，一旦受到高能束的轟擊，金屬粉末的局部溫度會(huì)瞬間飆升至熔點(diǎn)以上，在短時(shí)間內(nèi)形成微尺度熔池。隨后，熱源快速掃描到下一個(gè)位置，熔池在先前沉積的制冷基板的影響下迅速凝固。因此，在增材制造過程中可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10exp（7） K/s的陡峭溫度梯度和10exp（7） K/m的高冷卻速率。當(dāng)與熔池熔合過程中發(fā)生的復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合時(shí)，由于氣體滯留或未熔合而經(jīng)常出現(xiàn)孔隙。因此，良好的金屬元件的增材制造的加工窗口異常狹窄。在這個(gè)狹小的空間中，構(gòu)建了從微米級(jí)柱狀晶粒和亞微米級(jí)位錯(cuò)單元到納米級(jí)沉淀物的分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，賦予金屬材料許多優(yōu)異的機(jī)械性能。與缺陷消除相比，實(shí)現(xiàn)精確的微觀結(jié)構(gòu)控制相對(duì)更具挑戰(zhàn)性，為此迫切需要全面了解微觀結(jié)構(gòu)的演變。

鑒于存在廣泛的增材制造方法和系統(tǒng)，增材制造金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)受到大量工藝參數(shù)的影響。其中，熱源功率、束斑尺寸、掃描速度、艙口間距和層厚是最常研究的。因?yàn)榧词故亲钌倭康臍堄嗫紫兑矔?huì)嚴(yán)重降低最終金屬零件的機(jī)械性能，所以實(shí)現(xiàn)全密度是增材制造最理想的結(jié)果之一。目前的研究大多采用體積能量密度（VED）作為指導(dǎo)因素，即單位體積粉末能量的沉積量，VED=P/vhδ；其中P、v、h和 δ 分別是光束功率、掃描速度、窗口間距和粉末厚度。在低VED下，未熔化的顆粒留在熔池底部，導(dǎo)致以不規(guī)則小面孔為特征的未熔合缺陷。相反，當(dāng)VED過高時(shí)，熔池內(nèi)的溫度超過金屬的沸點(diǎn)，導(dǎo)致材料蒸發(fā)。因此，球形孔被困在部件中。致密金屬部件只能在中間VED 范圍內(nèi)制造，在該范圍內(nèi)形成足夠大和穩(wěn)定的熔池。盡管VED已被廣泛且成功地采用，但它有許多局限性。它不能正確表示傳遞到熔池的有效能量，因?yàn)樵赩ED方程中完全忽略了熱束的焦點(diǎn)直徑和熔池的幾何信息。此外，復(fù)雜的熱歷史是最終微觀結(jié)構(gòu)的主要影響因素，尚未考慮在內(nèi)。因此，增材制造的微觀結(jié)構(gòu)控制指南仍然缺失。

在3D金屬部件的構(gòu)建過程中，每一層的沉積過程中都會(huì)發(fā)生重復(fù)的熱循環(huán)、局部微觀結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的熱效應(yīng)。因此，復(fù)雜的熱歷史導(dǎo)致了多尺度微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。本質(zhì)上，增材制造是一個(gè)多尺度問題，材料會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生局部的轉(zhuǎn)換。在小熔池中難以進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)觀察，已經(jīng)進(jìn)行了許多模擬和建模研究來提取原位熱量和質(zhì)量信息。一般來說，增材制造的熱條件促進(jìn)柱狀晶粒的外延生長(zhǎng)，其中 <100> 晶體取向是立方金屬的有利方向。在熱膨脹和收縮過程中，來自建造基材的約束會(huì)導(dǎo)致高殘余應(yīng)力和金屬元件中產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)。重復(fù)加熱和淬火還會(huì)在先前沉積的層中產(chǎn)生固有的熱處理效果，并且在某些情況下會(huì)發(fā)生固態(tài)沉淀反應(yīng)。確定溫度梯度和冷卻速率是影響最終微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵熱力學(xué)因素。然而，熔池中的溫度場(chǎng)分布會(huì)導(dǎo)致這些因素發(fā)生重大變化。因此，在增材制造的金屬中形成的微觀結(jié)構(gòu)因部位而異，這在大多數(shù)情況下難以理解。

分層微觀結(jié)構(gòu)有助于增材制造金屬材料具有優(yōu)越的機(jī)械性能。原則上，強(qiáng)化機(jī)制可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程表示：σy = σ0 + Δσgb + Δσdis + Δσprec，

其中 σ0、Δσgb、Δσdis 和 Δσprec 分別代表晶格摩擦、晶界、位錯(cuò)和沉積物的屈服應(yīng)力貢獻(xiàn)。增材制造工藝參數(shù)的便利調(diào)節(jié)為精確控制微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)地調(diào)整機(jī)械性能提供了前所未有的機(jī)會(huì)。需要系統(tǒng)推理來構(gòu)建增材制造過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在本文綜述中，首先修訂了增材制造的加工圖。將熔池形成的能量項(xiàng)和熔池結(jié)合的幾何項(xiàng)整合在一起，構(gòu)建了一個(gè)綜合的加工圖。相應(yīng)地，打印金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)可分為凝固和凝固后的結(jié)構(gòu)，它們?cè)诓煌�階段形成。而且還解決了在快速冷卻過程中凝固的潛在原子級(jí)微觀結(jié)構(gòu)特征。此外，還討論了為增材制造設(shè)計(jì)的特定地點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和合金成分，以充分探索增材制造技術(shù)的潛力。

2. 增材制造加工圖
2.1 不同的增材制造方法
雖然有許多不同的增材制造技術(shù)，但本文重點(diǎn)介紹基于熔合的增材制造，它利用高能量密度光束，包括激光、電子束或電弧，作為熱源。與金屬的間接和固態(tài)增材制造方法（如粘合劑噴射、熔絲制造、冷噴涂增材制造和超聲波增材制造）相比，基于熔合的增材制造會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜的熱歷史，因此生產(chǎn)出來的部件具有更好的性能。因此，它在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域引起了更多關(guān)注，以下為簡(jiǎn)單起見將其稱為增材制造。通常，這些技術(shù)可分為粉末床熔合（PBF）和定向能量沉積（DED），如圖1所示。PBF 為使用激光或電子束在預(yù)先鋪設(shè)的粉末床中逐層熔化和燒結(jié)金屬粉末（圖1（a））；這包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM）。在DED中，金屬粉末或金屬絲被同軸送入高能束（激光或電弧）中，以在基板上連續(xù)形成熔化層（圖 1（b））。激光工程凈成形（LENS）和電弧增材制造（WAAM）是兩種典型的DED方法。這些增材制造技術(shù)的不同程序?yàn)樗鼈兲峁┝瞬煌�的特性。例如，SLM具有較小的光斑尺寸，因此可以創(chuàng)建精度更高的金屬部件。EBM配備了高性能加熱平臺(tái)，可以大大減少殘余應(yīng)力積累。LENS 更適合混合材料打印，因?yàn)樗�的多噴嘴設(shè)計(jì)。WAAM具有更高的沉積速率，并且能夠制造大型組件 。此外，不同增材制造方法之間的熱條件差異很大，與其他方法相比，由于WAAM的熔池尺寸較大，因此表現(xiàn)出相對(duì)較緩的溫度梯度，約為10exp（2） K/s 。

▲圖1 兩種主要類型的增材制造示意圖：（a）粉末床熔合（PBF）和（b）定向能量沉積（DED）。

不同增材制造技術(shù)的眾多工藝變量為調(diào)整打印金屬材料的特性提供了巨大的機(jī)會(huì)。因?yàn)榧庸�參�?shù)會(huì)影響熔池中熔融金屬的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)、傳熱和凝固特性，從而導(dǎo)致晶粒尺寸、形態(tài)和織構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化。必須首先建立工藝參數(shù)和獲得的微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。為此，將在下一節(jié)中開發(fā)和討論一個(gè)全面的加工圖。

2.2 連續(xù)和非連續(xù)的工藝參數(shù)
在增材制造過程中，金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)很容易受到各種工藝參數(shù)的影響。這些參數(shù)可以根據(jù)它們的動(dòng)作時(shí)間大致分為兩類，連續(xù)參數(shù)和不連續(xù)參數(shù)。連續(xù)參數(shù)負(fù)責(zé)金屬粉末的連續(xù)逐點(diǎn)選擇性熔化，并在打印過程中提供連續(xù)的能量輸入；它們包括光束功率、掃描速度和光束直徑。在增材制造的掃描操作過程中，不同沉積軌跡和層之間存在間隔時(shí)間；間隔時(shí)間取決于試樣大小和掃描模式，范圍為0.1到100 s。因此，與軌跡和層相關(guān)的參數(shù)，如窗口間距、層厚和掃描策略，可以看作是不連續(xù)的參數(shù)。不連續(xù)的工藝參數(shù)確保以間歇方式構(gòu)建最終的3D元件。換句話說，連續(xù)的工藝參數(shù)與通過高能量輸入形成熔池的每條軌跡有關(guān)；因此，它們也可以被視為能量因素。不連續(xù)參數(shù)主要負(fù)責(zé)不同軌跡中相鄰熔池的幾何重疊；因此，它們可以被視為幾何因素。要打印出無缺陷的完好部件，不僅需要在暴露于高強(qiáng)度熱源時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的熔池，還需要相鄰熔池之間適當(dāng)?shù)南嗷プ饔谩?br />
2.3 結(jié)合能量和幾何因素的加工圖
熔池作為增材制造的基本建造塊，如圖2（a）所示，通過對(duì)相鄰軌跡的部分重熔，這些熔池的重疊將這些塊綁定在一起，并構(gòu)建最終的3D對(duì)象。將連續(xù)（能量）和不連續(xù)（幾何）因素整合在一起，構(gòu)建了一個(gè)綜合加工圖，如圖2（b）所示�？v軸表示無量綱能量E*，它綜合了光束特征和材料特性。需要注意的是，在相對(duì)較低的功率或較高的掃描速度下，能量輸入不足以完全熔化金屬粉末，產(chǎn)生不連續(xù)的熔池。在這種情況下，會(huì)產(chǎn)生因未融合而導(dǎo)致的缺陷（圖 2（b））。當(dāng)光束功率過高或掃描速度過慢時(shí)，過多的能量注入金屬粉末；可以達(dá)到物料的沸騰溫度。金屬被汽化，氣體由于局部凹陷而被截留形成球形孔，類似于高VED因子。只有在傳導(dǎo)模式相對(duì)穩(wěn)定的中能區(qū)才能獲得良好的熔池。

除了形成的穩(wěn)定熔池，良好的結(jié)合是確定印刷零件最終質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵先決條件。為表示相鄰熔池的幾何重疊程度，以幾何結(jié)合因子為指標(biāo)，如圖 2（a）所示。熔池形狀近似為半圓為宜；因此，。熔池寬度可以使用Rosenthal模型[64]，，或直接通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量；ρ和Cp分別是材料的密度和比熱。較大的 Ψ 表明在連續(xù)沉積過程中，較大比例的單個(gè)熔池被重熔。只有當(dāng) Ψ ≥1 時(shí)，才能打印致密的金屬樣品；否則，就會(huì)引入缺乏約束力的缺陷。

▲圖2（a）增材制造過程中熔池的形成和結(jié)合示意圖。（b）集成了能量和幾何術(shù)語的增材制造加工圖。請(qǐng)注意，和分別對(duì)應(yīng)于將金屬粉末加熱到其熔化溫度和沸騰溫度所需的能量。

將能量和幾何術(shù)語整合到新的加工圖中，大致可以分為四個(gè)區(qū)域：I. 缺乏結(jié)合，II. 缺乏熔合，II. 流程窗口和 IV. 鑰孔形成。通過在工藝窗口區(qū)域（III） 中完全熔化和充分結(jié)合穩(wěn)定的熔池，可以建造致密的金屬部件。由于能量輸入不足，熔池溫度低，流動(dòng)性弱，出現(xiàn)球化現(xiàn)象。即使當(dāng)能量密度足夠高以熔化連續(xù)軌道時(shí)，由大艙口間距或大層厚度引起的小重疊仍然會(huì)導(dǎo)致缺乏結(jié)合缺陷。根據(jù)綜合加工圖，能源只是提供穩(wěn)定熔池的前提；熔池的幾何重疊是構(gòu)建致密金屬部件的另一個(gè)必要條件。請(qǐng)注意，加工圖的四個(gè)區(qū)域之間的邊界是通過簡(jiǎn)單的物理推理提出的；實(shí)際上，它們應(yīng)該被視為不確定區(qū)域，而不是尖銳的邊界�；�于這張?jiān)霾闹圃斓木C合加工圖，最佳工藝窗口從VED的最大密度點(diǎn)顯著擴(kuò)展到二維區(qū)域，并且可以克服VED的局限性。由幾何重疊引起的復(fù)雜熱歷史自然發(fā)生在橫坐標(biāo)上，并且可以通過調(diào)整增材制造過程中的重疊度來輕松定制本征熱處理。

在之前的研究中，一些研究人員采用熔池幾何形狀來預(yù)測(cè)增材制造的打印質(zhì)量。唐等人，提出了由相對(duì)艙口間距（h/d）和相對(duì)層厚度（δ/w）構(gòu)建的加工圖來預(yù)測(cè)未熔合孔隙度，其中d表示熔池深度，等于熔池寬度的一半。對(duì)于足夠的熔池重疊，橫向相鄰熔池之間的重疊深度 l* 不得大于用于零件打印的層厚度。巴賈吉等人，采用歸一化艙口間距rb/h作為幾何因子，結(jié)合歸一化能量構(gòu)建歸一化加工圖。他們還確定了一個(gè)寬的工藝窗口，具有能量輸入和熔池重疊的中間值，以實(shí)現(xiàn)最小的孔隙率。此外，新的綜合加工圖可以在打印前提供有關(guān)打印微觀結(jié)構(gòu)的信息。托馬斯等人，發(fā)現(xiàn)大重疊和能量輸入的組合導(dǎo)致由 EBM 制造的 Ti-6Al-V 合金中相對(duì)粗糙的 β 結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過在基于能量幾何的加工圖中仔細(xì)選擇工藝參數(shù)，可以控制孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)。

從綜合加工圖中，可以明顯看出金屬部件增材制造的兩個(gè)基本物理步驟：?jiǎn)蝹�(gè)熔池的形成和隨后多個(gè)熔池的結(jié)合。這些步驟建立了制造的基本熱歷史，從而通過增材制造過程中的凝固和循環(huán)熱效應(yīng)確定印刷金屬的最終微觀結(jié)構(gòu)。沿著這個(gè)思路，金屬材料的增材制造微觀結(jié)構(gòu)可以看作是在不同制造階段形成的結(jié)構(gòu)，即凝固和凝固后的微觀結(jié)構(gòu)。

3. 凝固微觀結(jié)構(gòu)
原則上，增材制造微觀結(jié)構(gòu)的主要部分是由熔池凝固階段的晶粒成核和生長(zhǎng)形成的。眾所周知，凝固過程中熱量和溶質(zhì)的傳遞在決定最終晶粒尺寸和形態(tài)方面起著主導(dǎo)作用。高度聚焦的光束和大的掃描速度使熔池具有較小的尺寸，從而導(dǎo)致具有陡峭溫度梯度和快速凝固速度的凝固條件。因此，打印金屬材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)特征是由熔池邊界的晶體外延生長(zhǎng)形成的柱狀晶粒。這些柱狀晶粒的直徑通常為幾微米到幾十微米，如圖3（a）所示。由于柱狀晶是在初始凝固階段形成的，可以看作是初級(jí)凝固結(jié)構(gòu)。此外，盡管在增材制造過程中通過快速冷卻抑制了微觀偏析，但在某些情況下，溶質(zhì)重新分布仍然可以發(fā)揮作用。二級(jí)相可以在柱狀晶粒之間的枝晶間區(qū)域沉淀，例如在通過增材制造制造的鋁和鎳合金中。這些富含溶質(zhì)的沉淀物可視為二次凝固結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。初級(jí)柱狀顆粒和二次沉淀物主要受輸入能量的影響，即圖2（b）綜合加工圖中的能量項(xiàng)。只有當(dāng)熔化發(fā)生時(shí)，凝固微觀結(jié)構(gòu)才會(huì)打印到金屬上，如圖3（e）中復(fù)雜的熱歷史所示。

▲圖3 通過增材制造制造的金屬的微觀結(jié)構(gòu)演變。凝固結(jié)構(gòu)包括（a）初級(jí)柱狀晶粒和（b）沿柱狀晶界稀疏分布的次級(jí)相。固化后結(jié)構(gòu)包括（c）位錯(cuò)單元和（d）基質(zhì)中的納米沉淀物。（e）復(fù)雜的熱歷史有助于在增材制造過程中形成多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)。

▲圖3-1  在每一718 高溫合金樣品進(jìn)行增材制造時(shí)，高溫合金718的δ相在枝晶間區(qū)域析出 ((a), (b), (c))，樣品的沉積態(tài)和熱處理之后同鑄造狀態(tài)和變形狀態(tài)樣品的拉伸強(qiáng)度的對(duì)比（d），然而，平行的樣品呈現(xiàn)出的韌性同垂直的樣品相比較，在 650 °C的時(shí)候只有四分之一（e）；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，未期待的枝晶間 δ相將會(huì)提供在拉伸測(cè)試時(shí)初始的裂紋萌生源和擴(kuò)展源

▲圖3-2增材制造鋁合金Al-Sc-Zr時(shí)熱穩(wěn)定的芯殼納米析出相的控制

▲圖3-3 添加晶格匹配的納米顆粒到高強(qiáng)Al合金中來代替細(xì)長(zhǎng)的等軸晶和避免產(chǎn)生裂紋

3.1 微尺度的初生柱狀結(jié)構(gòu)

基于經(jīng)典凝固理論，對(duì)于給定合金，初級(jí)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)主要由熔池中的局部凝固條件決定，包括溫度梯度G和凝固速率V。G/V系數(shù)控制這凝固模式，其產(chǎn)物冷卻速率控制著凝固微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模。如圖4（a）所示，隨著熱量被傳熱到固體基底上，凝固從先前沉積的基底定向進(jìn)行到熔融液體。異相成核存在可忽略的成核障礙；因此，晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象決定了大部分最終的微觀結(jié)構(gòu)。在晶粒生長(zhǎng)過程中，溶質(zhì)原子被排斥到液體中并在固液界面前形成溶質(zhì)積累層（圖4（b）），根據(jù)圖4（c）中的相圖，這會(huì)擴(kuò)大凍結(jié)范圍。因此，由于微觀偏析（圖4（d）），會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)過冷。生長(zhǎng)過程中固液界面的結(jié)構(gòu)過冷和形態(tài)穩(wěn)定性共同作用，對(duì)最終的快速凝固微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。

3.1.1 初級(jí)柱狀顆粒的大小
在增材制造過程中，金屬粉末的局部加熱會(huì)導(dǎo)致熔池中心的峰值溫度很高；因此，在熔池邊界附近形成了一個(gè)陡峭的溫度梯度。由于功率的熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的固體材料，因此熔體內(nèi)的熱量主要通過先前構(gòu)建的層消散，從而導(dǎo)致制造方向上的溫度梯度。此外，當(dāng)高能光束掃過時(shí)，小熔池中的凝固立即開始。由于陡峭的溫度梯度和高凝固速率，預(yù)計(jì)柱狀晶粒在增材制造的微觀結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，如圖4（e）所示。柱狀晶粒的特征尺寸，即柱狀間距，根據(jù)凝固條件的不同而不同。與傳統(tǒng)鑄造相比，亞穩(wěn)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)表明增材制造過程中存在非平衡凝固過程，其中熱場(chǎng)除擴(kuò)散場(chǎng)外也起著重要作用。在這種情況下，枝晶尖端形態(tài)可能發(fā)生變化，應(yīng)考慮液固界面穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。基于測(cè)試良好的 Kurz-Fisher模型，表明晶粒尺寸與凝固速率、溫度梯度和冷卻速率成反比。在高能束快速掃描過程中，凝固速率V通過掃描方向與熔池邊界的傾角θ與掃描速度有關(guān)，V= v·cosθ。增材制造的掃描速度通常大于10exp（-1） m/s，所以，快速凝固條件在制造過程中占主導(dǎo)地位。因此，通過增材制造制造完全等軸晶粒具有挑戰(zhàn)性。

▲圖4 （a）快速凝固過程中固液界面柱狀和等軸晶粒生長(zhǎng)示意圖。（b）由于溶質(zhì)在液體和固體中的溶解度不同，導(dǎo)致固液界面前的溶質(zhì)分離。（c）典型相圖的一部分，表示結(jié)構(gòu)過冷。（d）固液界面前端溶質(zhì)偏析引起的結(jié)構(gòu)過冷。（e）表示增材制造的柱狀到等軸轉(zhuǎn)換的示意圖。

▲圖4-1孕育顆粒對(duì)不同鈦合金的晶粒形成的影響

▲圖4-2 柱狀晶向等軸晶的過渡轉(zhuǎn)變也許會(huì)發(fā)生G和V的變化時(shí)在層層之間發(fā)生。最有利于等軸晶的最優(yōu)凝固狀態(tài)發(fā)生在每一層的最上方。這一研究是Zheng等人在LMD工藝制造Ti-2Al-7Mo合金的時(shí)候觀察到的CET。

大量研究表明，增材制造金屬的柱狀微觀結(jié)構(gòu)主要受熔池實(shí)時(shí)熱場(chǎng)的控制，而熔池的實(shí)時(shí)熱場(chǎng)受增材制造過程中激光功率和掃描速度的影響。由于復(fù)雜的熱條件，工藝參數(shù)和凝固因素之間的定量關(guān)系仍然不存在。使用分析模型揭示了一些一般趨勢(shì)。例如，由于熔池的液體壽命較短和單位時(shí)間的能量輸入較低，凝固和冷卻速率隨著掃描速度的增加而增加。對(duì)于恒定的掃描速度，由于熔池的峰值溫度較低和液體壽命顯著延長(zhǎng)，溫度梯度減小，冷卻速率隨著激光功率的降低而增加�；�于這些發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)進(jìn)行了一些研究來調(diào)整柱狀晶粒的大小。例如，Spierings等人，發(fā)現(xiàn)掃描速度的增加導(dǎo)致晶粒尺寸分布向更小的晶粒移動(dòng)，這是在高掃描速度下獲得更高冷卻速率的結(jié)果。Wang等人，表明由于較高的溫度和熔池過冷程度的降低，平均初級(jí)枝晶間距隨著掃描速度的降低而增加。Priya等人，證明較高的激光功率和較低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致更粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，這歸因于整個(gè)熔池深度的凝固時(shí)間變化較��；這意味著熔池中的冷卻速度較低。對(duì)于不同的增材制造技術(shù)，典型的冷卻速度有所不同；SLM大約為10exp（6）K/s，高于LENS（10exp（5）K/s）、EBM（10exp（4）K/s）和WAAM（10exp（2）K/s）。因此，SLM可以在最終的金屬元件中產(chǎn)生更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4（e）所示。

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文章來源：Additive manufacturing of metals:Microstructure evolution and multistage control,Journal of Materials Science & Technology,Available online 30 July 2021,https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.011

參考資料：
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