《Natue》子刊：具有可編程微觀結(jié)構(gòu)和性能的合金增材制造!

來(lái)源： 增材在線

在冶金學(xué)中，機(jī)械變形對(duì)于設(shè)計(jì)金屬的微觀結(jié)構(gòu)和調(diào)整其機(jī)械性能至關(guān)重要。然而，對(duì)于增材制造(AM)生產(chǎn)的近凈形狀金屬零件，機(jī)械變形并不適用，因?yàn)樗鼤?huì)不可避免地?fù)p害精心設(shè)計(jì)的幾何形狀。

2023年10月30日，來(lái)自新加坡、瑞士、芬蘭、澳大利亞和英國(guó)的學(xué)者在《Nature Communications》（中科院1區(qū)，Top，影響因子16.6）發(fā)表最新研究成果“Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties“，通過(guò)控制激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)生產(chǎn)的合金鋼的位錯(cuò)密度和熱穩(wěn)定性來(lái)規(guī)避這一限制。

研究背景
社會(huì)中使用的許多金屬制造技術(shù)依賴于機(jī)械和熱工藝的結(jié)合，將材料塑造成所需的幾何形狀，并同時(shí)設(shè)計(jì)其微觀結(jié)構(gòu)和性能。例如，可以控制金屬鍛造和擠壓過(guò)程中引入的機(jī)械應(yīng)變量，以通過(guò)位錯(cuò)積累來(lái)硬化材料，或在熱處理(HT)時(shí)觸發(fā)微觀結(jié)構(gòu)再結(jié)晶，這是一種新的無(wú)缺陷晶粒成核和生長(zhǎng)的現(xiàn)象，產(chǎn)生更高的韌性和更各向同性的機(jī)械性能。

這種典型的“加熱和敲擊”方法（自青銅時(shí)代以來(lái)一直在使用）在采用現(xiàn)代增材制造(AM)技術(shù)時(shí)就會(huì)失效。AM，也稱為三維(3D)打印，可以將材料逐層連接在一起，以生產(chǎn)具有以前不可能實(shí)現(xiàn)的幾何復(fù)雜性的近凈形狀零件。由于材料和幾何形狀是在增材制造過(guò)程中同時(shí)形成的，因此在不不可避免地?fù)p害零件復(fù)雜形狀的情況下，不可能對(duì)固體進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工以驅(qū)動(dòng)受控的微觀結(jié)構(gòu)變化。因此，與傳統(tǒng)制造路線相比，增材制造提供的控制金屬微觀結(jié)構(gòu)和調(diào)整其性能的機(jī)會(huì)較少。因此，大量研究集中在設(shè)計(jì)增材制造工藝上，旨在優(yōu)化打印時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。

該工作中，研究人員展示了如何在不依賴機(jī)械變形的情況下控制增材制造不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)演變。利用激光粉末床熔融(LPBF)技術(shù)，設(shè)計(jì)了加工策略來(lái)“編程”打印合金的熱穩(wěn)定性，以便可以先驗(yàn)地決定材料的微觀結(jié)構(gòu)在高溫處理下將如何演變。這些策略恢復(fù)了傳統(tǒng)金屬加工提供的一些微觀結(jié)構(gòu)控制能力。更重要的是，它們?cè)试S通過(guò)以3D和高空間分辨率對(duì)合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定位點(diǎn)編程來(lái)創(chuàng)建新材料。金屬的位點(diǎn)特定微觀結(jié)構(gòu)控制是AM最獨(dú)特和最具吸引力的功能之一。該策略展示了這種范例的先進(jìn)方法，能夠同時(shí)直接控制多個(gè)微觀結(jié)構(gòu)特征的演變，通過(guò)優(yōu)化的機(jī)械和物理性能拓寬工程材料的設(shè)計(jì)空間。

圖1. (a) 由LPBF生產(chǎn)的金屬樣品的橫截面示意圖，顯示了熔池和由此產(chǎn)生的熱影響區(qū)(HAZ)。(b-c) 電子背散射衍射圖顯示熱處理H-SS316L和L-中沿構(gòu)建方向(BD)的晶體取向（IPF，反極圖）、核平均取向誤差(KAM)和晶界(GB)特征分布分別為SS316L。HAGB、LAGB和TB分別代表大角度晶界、低角度晶界和孿晶界。SD表示掃描方向。(d-e) KAM圖分別說(shuō)明了構(gòu)建平面內(nèi)和沿BD方向?qū)υ俳Y(jié)晶的特定位點(diǎn)控制。(d)中的二進(jìn)制代碼代表“AM”。

圖2. （a）顯示樣品中熔池排列的光學(xué)顯微照片。(b) 通過(guò)EBSD測(cè)量并根據(jù)有限元模型(FEM)獲得的累積塑性應(yīng)變估算幾何必要位錯(cuò)(GND)密度。這些值指的是打印SS316L樣品。該工作中實(shí)驗(yàn)熔池寬度(w)為70μm。（c）使用35 μm(h=35 μm)的掃描距離生成的SS316L樣品的頂面橫截面EBSDKAM圖和中心區(qū)域的頂視圖KAM圖。黃色曲線表示熔池邊界。紅色虛線表示中心線。(d) KAM圖突出顯示了使用h=35 μm和h=10 μm生成的樣品之間晶體取向差分布的差異，分別對(duì)應(yīng)于(b)中的第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（包含在虛線圓圈內(nèi)）。

圖3. （a）粗層和細(xì)層微結(jié)構(gòu)的印刷設(shè)計(jì)和相應(yīng)的EBSDKAM圖。（b）通過(guò)測(cè)試未再結(jié)晶、完全再結(jié)晶和層狀顯微組織獲得的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）精細(xì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和估計(jì)加工硬化率之間的比較。估計(jì)值基于使用粘塑性模型的混合規(guī)則(ROM)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離了兩相ROM，但與將組成微觀結(jié)構(gòu)之間的界面視為具有有限厚度和不同機(jī)械性能的第三相的數(shù)據(jù)相匹配。（d）通過(guò)EBSD測(cè)量的幾何必要位錯(cuò)(GND)圖顯示機(jī)械測(cè)試時(shí)兩個(gè)微結(jié)構(gòu)成分之間界面處的堆積（黃色箭頭）。（e）不同樣品的異形變形誘導(dǎo)(HDI)應(yīng)力隨塑性應(yīng)變的變化。（f）使用三相ROM粘塑性模型模擬具有可變數(shù)量界面的層狀微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

論文引用

Gao, S., Li, Z., Van Petegem, S. et al. Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties. Nat Commun 14, 6752 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42326-y