LPBF 增材制造過(guò)程中合金成分梯度主導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)的機(jī)制分析

來(lái)源：Materials Research Letters

激光粉末床熔化(LPBF)增材制造技術(shù)使用激光束選擇性地熔化粉末床上的合金粉末。該技術(shù)還可用于連接兩種不同合金。然而，在使用LPBF將一層合金3D打印到另一異種合金基底上的過(guò)程中，兩種合金的熱物理屬性不匹配可能會(huì)導(dǎo)致界面裂紋。研究表明，異種合金之間的微互鎖界面有助于提高界面結(jié)合強(qiáng)度并產(chǎn)生彎曲的顆粒。與典型的晶粒形態(tài)相比，彎曲晶粒有可能提高高溫蠕變和疲勞壽命。

近日，Materials Research Letters 期刊刊登了Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion 一文。在當(dāng)前的研究中，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種多材料高保真數(shù)值模型。通過(guò)多材料模擬和各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以更好地掌握異種合金成分分布的3D空間特征以及合金成分對(duì)顯微組織的影響。

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▲論文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2023.2250826

圖1. 激光粉末床熔化(LPBF)單軌示意圖。橫截面A-A平行于掃描方向并垂直于基板。橫截面B-B垂直于掃描方向和基板。熔池深度(Dm)是從熔池底部到基材頂部的距離。熔池寬度(Wm)是基板頂部的軌道寬度。

圖2. 橫截面 A-A上激光功率L = 100 W 和掃描速度V = 300 mm/s 的單軌實(shí)驗(yàn)(a)和模擬(b)獲得的合金成分分布。為了清楚起見(jiàn)，研究團(tuán)隊(duì)將富含F(xiàn)e(紅棕色)的區(qū)域代表316L，將富含Ni(綠色)的區(qū)域代表IN718。316L/IN718的2D成分梯度分布(c)及其相應(yīng)的3D成分梯度等值面形狀(d)是從數(shù)值模擬中獲得的。圖(d)是從圖1中的視角Ⅰ觀察的。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)從2D角度觀察了合金成分分布特征[圖2 (a)]，但無(wú)法從3D角度觀察合金成分分布的空間特征。值得注意的是，從數(shù)值模擬的 2D 角度來(lái)看，不同合金成分梯度呈現(xiàn)出彎曲的條紋形狀 [圖2 (c)]。將圖2 (c) 與2(b)進(jìn)行比較，可以觀察到成分梯度和成分分布有很好的聯(lián)系，316L和IN718在成分梯度兩側(cè)，意味著異種合金的成分梯度等值面可以反映主要成分分布的空間特征。

圖3. 當(dāng)激光功率L = 200 W、掃描速度V = 1500 mm/s時(shí)使用 EDS 和 EBSD 獲得的異種合金的成分分布、成分梯度和微觀結(jié)構(gòu)參見(jiàn) (a)。當(dāng)激光功率L = 100 W、掃描速度V = 30 mm/s時(shí)的成分分布、成分梯度和微觀結(jié)構(gòu)參見(jiàn) (b)。彎曲晶粒角度定義示意圖參見(jiàn)(c)。不同工藝參數(shù)下的彎曲晶粒形狀特征見(jiàn)(d)。

此前研究得出一個(gè)重要結(jié)論：合金成分主導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)[Yao Liming et al., Acta Mater,2021,220]。本文進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，合金成分是影響晶粒生長(zhǎng)的重要因素，而合金成分梯度(ACG)是主導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)的本質(zhì)原因。雖然異種合金之間存在相互擴(kuò)散[圖3 (a)]，但可以觀察到合金成分梯度較大的位置與彎曲晶粒的晶界重合。因此，研究團(tuán)隊(duì)將合金成分梯度(ACG)作為評(píng)價(jià)合金成分(ACG)對(duì)合金顯微組織影響的指標(biāo)，詳情參見(jiàn)原文。

圖4. 溫度梯度 (a)、成分梯度 (b) 和混合 (c) 模式分別主導(dǎo)彎曲晶粒生長(zhǎng)的機(jī)制示意圖。

熔池的橫縱比(Dm/Wm)可以更好地描述其形狀特征。當(dāng)Dm/Wm≥0.55時(shí)，Marangoni力導(dǎo)致異種合金有很強(qiáng)的相互擴(kuò)散傾向[圖3 (d) ]。|ACG|<100000表示沒(méi)有顯著的成分轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度梯度主導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)，大多數(shù)晶粒垂直于熔池邊界[圖4 (a)]。當(dāng)0.25≤Dm/Wm< 0.55時(shí)[圖3(d)]，Marangoni力導(dǎo)致熔池中的異種合金表現(xiàn)出適度的相互擴(kuò)散傾向。合金成分分布呈曲線條狀，厚度約為15μm。在15μm區(qū)域不易生成多個(gè)晶核，加上較大的合金成分梯度(|ACG|≥100,000)主導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)，導(dǎo)致獨(dú)立的彎曲晶粒，角度高達(dá)272°。值得注意的是，溫度梯度在這一階段的晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中仍然發(fā)揮著作用，但成分梯度對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響比溫度梯度更強(qiáng)烈，也可以理解為大的合金成分梯度在晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中起到了能量勢(shì)壘的作用[圖4 (b)]。當(dāng)Dm/Wm≤0.55時(shí)，IN718熔體的對(duì)流距離較短，IN718熔體聚集在單一軌道上方，其當(dāng)量直徑> 45 μm。雖然|ACG|≥100000，表明異種合金之間發(fā)生劇烈的化學(xué)轉(zhuǎn)變，仍然形成晶粒生長(zhǎng)的能壘，導(dǎo)致晶界與合金成分梯度大的位置重合。但由于獨(dú)立的合金成分范圍較大，其內(nèi)部晶粒生長(zhǎng)仍然受到溫度梯度主導(dǎo)，這種情況是混合模式[圖4 (c)]。

論文引用信息：

Liming Yao, Zhongmin Xiao, Zhiongsheng Hoo, Chao Tang*, Jing Qiao* & Yanmei Zhang (2023) Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion,Materials Research Letters, 11:10, 814-820.https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2250826