綜述：金屬增材制造—微觀結(jié)構(gòu)演變與多階段控制（一）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

來(lái)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(guò)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(guò)逐層添加材料來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn),。

▲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(lái)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(guò)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(guò)程中的兩個(gè)基本物理過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)高時(shí)，熔池內(nèi)的溫度超過(guò)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(guò)程中，每一層的沉積過(guò)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(wèn)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(lái)提取原位熱量和質(zhì)量信息。一般來(lái)說(shuō),，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(guò)程中,，來(lái)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(lái)構(gòu)建增材制造過(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn)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�,。┲�,，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��,。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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō),，連續(xù)的工藝參數(shù)與通過(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)高或掃描速度過(guò)慢時(shí),，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)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(yǔ)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)整增材制造過(guò)程中的重疊度來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)增材制造過(guò)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(guò)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(guò)程中通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)冷,。生長(zhǎng)過(guò)程中固液界面的結(jié)構(gòu)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中存在非平衡凝固過(guò)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(guò)程中,，凝固速率V通過(guò)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(guò)程中占主導(dǎo)地位,。因此，通過(guò)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(guò)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(guò)冷。（d）固液界面前端溶質(zhì)偏析引起的結(jié)構(gòu)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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)間變化較小,；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(lái)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

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