《Acta Materialia》綜述：增材制造金屬的斷裂與疲勞（一）

來源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

摘要

與傳統(tǒng)制造方法相比,，金屬部件的增材制造（AM）具有許多優(yōu)勢,，最顯著的是在幾乎不浪費材料的情況下實現(xiàn)設計自由,。因此，目前大家對各種結(jié)構(gòu)合金的制造方面有著重大的興趣,。同時,，建立加工-微觀結(jié)構(gòu)-機械性能關(guān)系，以及AM工藝固有的缺陷,、殘余應力和細觀結(jié)構(gòu)等屬性,，對于廣泛采用使用AM制造的結(jié)構(gòu)金屬部件至關(guān)重要。鑒于此,，本文對AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當前理解進行了全面回顧,，強調(diào)了AM合金微觀結(jié)構(gòu)的獨特方面、工藝相關(guān)屬性及其對拉伸,、斷裂,、疲勞裂紋擴展和無缺口疲勞性能的影響,，重點介紹了微觀結(jié)構(gòu)和工藝屬性之間的相互作用，以確定AM合金的結(jié)構(gòu)完整性,，如接近臨界疲勞裂紋擴展速率,、斷裂韌性和疲勞強度等，并把這些方面與鍛造或鑄造合金中各自的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性進行了對比,�,？偨Y(jié)了通過在AM期間臨時改變加工條件或通過退火、熱等靜壓和噴丸等后處理來提高合金損傷容限的策略,，識別了AM合金疲勞和斷裂方面存在的差距,。這對于工程部件的廣泛部署和可靠性設計至關(guān)重要，這些差異有望為這一領(lǐng)域的研究提供未來的途徑,。



圖0 成果的Graphical abstract

1.背景介紹

金屬零件的傳統(tǒng)制造業(yè)除了充當關(guān)鍵技術(shù)的促成因素外,，也是現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟的一個組成部分。通常,，制造包括鑄造,，隨后通過熱機械加工使用鍛造、軋制或擠壓（或其他方法）進行“成形”,，以及通過焊接,、機加工、表面改性等進行最終“精加工”,。隨著這些工藝經(jīng)過幾個世紀的微調(diào)和完善,，對合金成分、加工歷史,、微觀結(jié)構(gòu)演變和機械性能之間關(guān)系的詳細理解已經(jīng)發(fā)展并應用于工業(yè)實踐,。鑒于結(jié)構(gòu)零件通常必須同時滿足多個性能指標，此類知識尤其重要,，因為成分或加工路線（或兩者）的微小變化可能以多種方式改變成分組合,，而這些方式不一定以簡單的方式相互關(guān)聯(lián)。

傳統(tǒng)制造中增材制造（AM）與減材制造的對決有可能取代前面提到的調(diào)整完美的制造業(yè)平衡,。這是因為它提供了許多優(yōu)勢：
（i）僅使用一個制造步驟進行近凈形狀零件制造
（ii）允許進入設計空間的設計靈活性
（iii）接近零的材料損耗,，導致高“fly-to-buy”比率
（iv）零件的快速原型制作和測試，這顯著縮短了新設計從“概念到部署”的周期時間,，
（v）使用不同合金制造不同類型組件的靈活性
（vi）按需制造,，從而降低庫存成本，減少供應鏈中斷
（vii）能夠生產(chǎn)具有位置梯度的零件或其中包含多種合金,。
因此,，全世界都對AM感到相當興奮，已經(jīng)（或正在）對研究和產(chǎn)能建設進行了大量投資,。AM對工業(yè)4.0的重要貢獻中,，其數(shù)字化性質(zhì)也是一個不可忽略的原因,。

在正在開發(fā)的不同種類的材料中，金屬和合金的AM技術(shù)是最具挑戰(zhàn)性的,，因為以增加高度的方式生產(chǎn)部件并不像表面看起來那么簡單,。由于逐行逐層的建造策略而產(chǎn)生的額外的工藝相關(guān)屬性，如孔隙度,、殘余應力,、細觀結(jié)構(gòu)等，加劇了這種情況,。此外,，不同位置的微結(jié)構(gòu)的變化也為加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的建立增加了相當大的復雜性。因此,，確保為質(zhì)量評估和認證目的而生產(chǎn)的部件的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性仍然是一個主要的挑戰(zhàn),，這阻礙了AM的廣泛適應。解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是詳細的結(jié)構(gòu)-屬性相關(guān)性,，同時也考慮到進貢過程。雖然對制造方面和微觀組織-拉伸性能連接進行了廣泛的研究和報道,，但最終決定工程部件結(jié)構(gòu)完整性的疲勞和斷裂方面卻沒有進行廣泛的研究,，特別是從“微觀組織”的角度。

疲勞導致的斷裂是承載構(gòu)件結(jié)構(gòu)失效的最主要原因,。在常規(guī)制造的金屬合金中,，疲勞失效的起裂、擴展和快速斷裂機制的微觀組織機理是很好理解的,。然而,，關(guān)于AM合金中獨特的微觀結(jié)構(gòu)，如精細亞穩(wěn)相,、介觀結(jié)構(gòu)和孔隙率—所有這些都直接來自于獨特的加工屬性—是如何影響疲勞和斷裂的,，目前還沒有明確的認識。這不僅對AM組件的可靠性評估至關(guān)重要,，而且還將有助于識別必須修改的加工步驟,，以生產(chǎn)具有足夠或優(yōu)越的結(jié)構(gòu)完整性的組件。AM與大量的工藝參數(shù)相關(guān),，允許復雜的設計功能,，導致高度不尋常的加載配置，并允許定制的部件生產(chǎn);這使得連接材料,、過程和結(jié)構(gòu)特別困難,。考慮到這一點,，我們在這里提供了AM合金疲勞和斷裂方面的綜合綜述,。此外,，由于微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能是討論的重要部分，本文對這些方面也進行了總結(jié),。

考慮到對AM合金的研究呈指數(shù)級增長,，對金屬AM的一些評論是現(xiàn)成的也就不足為奇了。例如,，Gu etal . [1],， Sames etal . [2]，Herzog etal .[3],，和DebRoy etal .[4]提供了物理過程,、冶金及其對支柱性能的影響的全面概述。許多此類評論的焦點都集中在許多應用上——不同金屬和AM工藝本身;例如,，Mostafaei等人[5]對粘合劑噴射工藝進行了綜述,。關(guān)注特定金屬的綜述包括Dutta等人[6]、Agius等人[7],、Romero等人[8],、Liu等人[9]提出的鈦合金綜述；由Aboulkhair等人[10]提出的鋁合金綜述,；Fayaz-far等人[11]和Bajaj等人[12]的不銹鋼綜述,；Babu等人[13]和Jinoop等人[14]的鎳基高溫合金綜述，這導致了一系列關(guān)注AM金屬疲勞和斷裂的出版物,。而Lewandowski和Seifi[15]提供了專門關(guān)注力學性能的綜述,，在過去五年中取得了實質(zhì)性的進展。在Sanaei等人[16]的綜述中,，強調(diào)了工藝相關(guān)屬性對高循環(huán)疲勞行為的影響,。雖然Shamsaei等人[17,18]和Fotovvati等人[19]的文章回顧了AM金屬的疲勞特性，但重點不是微觀結(jié)構(gòu)-工藝相關(guān)屬性-性能之間的相互關(guān)系,，本文試圖強調(diào)這一點,。

本次審查的組織方式如下。下一節(jié)（第2節(jié)）將簡要概述廣泛使用的AM技術(shù)和合金,，強調(diào)相關(guān)工藝屬性和常見的AM合金,。通常報告的AM合金的主題貫穿整個審查過程，首先討論微觀結(jié)構(gòu)特征（第3節(jié)）和工藝相關(guān)屬性（第4節(jié)）,。隨后,，對準靜態(tài)特性，即拉伸（第5節(jié)）和斷裂韌性（第6節(jié)）特性進行了綜述,。第7節(jié)側(cè)重于疲勞裂紋擴展行為,，而第8節(jié)側(cè)重于無缺口疲勞。第9節(jié)中給出了總結(jié)。

2.廣泛應用的AM技術(shù)和合金

2.1.方法

ISO/ASTM 52900標準目前將AM工藝分為以下七類[20]：粘合劑噴射（或粘合劑噴射打印,，BJP）,、定向能沉積（DED）、材料擠出,、材料噴射,、粉末床熔融（PBF）、薄板層和還原型光聚合,。根據(jù)所使用的能源（激光或電子束和電�,。�、原料狀態(tài)（粉末,、電線或薄板）和材料進料方法（吹塑或進料粉末或粉末床）[20],。對這些材料進行進一步分類，基于有關(guān)疲勞和斷裂AM合金的現(xiàn)有文獻的數(shù)量和質(zhì)量以及其中的微觀結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性,，本綜述的重點僅限于三種基于粉末的技術(shù),，即BJP、PBF和DED,。PBF和DED工藝（熱源為激光或電子束）被視為直接制造路線,，而BJP被視為間接制造路線[2]。使用直接法生產(chǎn)的零件通常被認為在一致性和尺寸精度方面更優(yōu)越,，因此在最近的研究工作和應用潛力方面更為普遍[21],。

與DED相比，PBF主要用于全尺寸零件的制造,，因此，在工業(yè)應用方面,，PBF是最接近傳統(tǒng)制造的自然替代品,。最流行的金屬AM方法是基于激光的PBF或LB-PBF。它的流行主要是由于相對較高的尺寸精度,、較低的機器成本和較短的制造時間,。基于電子束的PBF,，或EB-PBF,，通常在10−4毫bar以下的高真空中進行，為制造對氧和氮具有高親和力的材料（如鈦和鋁合金）提供理想的低污染環(huán)境[6],。一般來說,，由于更高的能量輸入和更快的掃描速度，EB-PBF的構(gòu)建時間比LB-PBF短,。零件通常在加熱構(gòu)建平臺（600–750°C）上構(gòu)建,，從而在構(gòu)建（AB）狀態(tài)下形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)[22]。EB-PBF的主要缺點是印刷件的表面質(zhì)量較差，與LB-PBF相比成本較高,。

圖1   Schematic diagrams illustrating (a) 粉末床激光增材制造（laser based powder bed fusion (LB-PBP) (LB-PBP) ）, (b)激光定向能沉積（ laser based directed energy deposition (LB-DED) ）和  (c) 粘結(jié)劑打印工藝（binder jet printing (BJP)）

在DED中,，材料通常通過壓力粉末噴射沉積到熱源的焦點[6]。最常見的是,，DED用于表面涂層和修復因磨損或損壞而丟失材料的零件,。雖然電子束或電弧熱源已用于DED技術(shù)，但最近的大部分發(fā)展集中在基于激光的DED或LB-DED[11],。

BJP等間接方法使用相對便宜的工藝制造“綠色”零件,，然后進行幾個關(guān)鍵的后處理操作，以致密化和改善零件的機械性能,。雖然“綠色”零件的制造速度比其他AM工藝快,，但需要大量的后處理，這占用了大部分制造時間,。近年來,，BJP已發(fā)展成為最流行的間接金屬AM技術(shù)。其工作原理是通過精確噴射聚合物基粘合劑來形成綠色零件的粘結(jié)粉末,。然后通過紫外線輻射或在燒結(jié)過程中去除結(jié)合介質(zhì),。

下面簡要介紹三種常用金屬AM方法的基本原理。PBF過程如圖1A[23]所示,，粉末通過粉末床旁邊的料斗或儲液罐分布在床上,。每一層有選擇地熔化，通常一次熔化一條線,，與相鄰線重疊,，形成所需形狀的層。對于連續(xù)層的制造,，構(gòu)建平臺被降低,，預定厚度的新粉末層被鋪在粉末層上，并且重復選擇性熔化,。重復此過程以構(gòu)建三維零件,。制造完成后，移除未熔化的粉末,，露出處于AB狀態(tài)的零件,，并與構(gòu)建平臺融合。理想情況下,，在移除支撐結(jié)構(gòu)和移除構(gòu)建平臺之前,，零件需要應力消除（SR），以避免變形,。后處理通常是不需要的,，包括熱處理,，如退火（AN）和表面精加工步驟，以增加機械性能和細化尺寸公差,。

PBF工藝中的層厚度可以在-20到200μm之間,，具體取決于用于固結(jié)的材料類型和熱源[24,25]。典型的第10百分位和第90百分位粉末粒徑范圍分別為42至92μm和60至120μm[26,27],。為了使粉末床的流動順暢和填充良好,，顆粒需要盡可能呈球形，且尺寸分布較窄[1],。在LB-PBF中,，粉末材料被選擇性熔融，通常使用波長約為1070 nm,、功率范圍為20至10 0 W的Nd:YAG激光器[28,29],。焦平面內(nèi)激光束的典型光斑尺寸在50到180μm之間[28–30]，具體取決于所用的制造系統(tǒng)[28,31],。激光束通過電流計掃描儀定向,，以在沉積粉末層上實現(xiàn)10 0至2000 mm/s的掃描速度。

通常,，單個熔化軌跡的序列遵循掃描策略,，包括彎曲/來回接近[32]、隨機圖案[28]（其中單個島進行連續(xù)融合）或條紋[29]（其中指定寬度的單個條紋進行順序融合）,。后兩種降低孔隙度的方法通常包括島或條紋之間的一些重疊,。掃描方向在每層之后旋轉(zhuǎn)和偏移。在某些情況下,，建造平臺加熱,，例如，鋁合金生產(chǎn)推薦的加熱方式[33–35],。這導致較低的凝固速率,，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的熔體，在某些情況下,，生成密度更高[33],。

在EB-PBF中,，電子束通常以60 kV電壓加速,，并使用電磁透鏡聚焦，由磁掃描線圈引導,，以在沉積粉末層上實現(xiàn)10至10 4 mm/s的掃描速度[36],。與LB-PBF相比，該方法通過散焦光束和多次掃描床面來預熱構(gòu)建平臺[37],。為了確保完全熔化,，使用類似于LB-PBF的預定義掃描策略,，掃描速度降低到約10 2 mm/s。典型的層厚度值在50到150μm之間,，光斑尺寸在140到250μm之間[31],。

圖1b中提供了DED過程的示意圖。通過熔化表面并同時應用粉末原料來制造零件,。粉末由同軸安裝在熱源上的噴嘴供應,。生成的熔池通常通過向構(gòu)建區(qū)域注入惰性氣體來防止氧化。雖然通常使用Nd:YAG激光器,，但也有報道使用CO 2,、二極管和摻鐿光纖激光器。功率范圍在800到2400 W[14]之間,，光斑大小在0.3和3毫米[37,38]之間變化,，掃描速度約為900毫米/分鐘[14]。LB-DED過程的一個特殊優(yōu)點是,，它們不限于平面內(nèi)層構(gòu)建,，這比PBF過程提供了更多的設計自由度。當沉積頭通過例如五軸系統(tǒng)或機械臂為每層重新定位時,，零件通常是靜止的[39],。因此，DED工藝不受尺寸限制,，因此更常用于生產(chǎn)大型零件,。此外，通過將合金沉積到現(xiàn)有零件上,，可以在重配對應用中使用DED工藝[39],。雖然BJP方法也依賴于粉末床系統(tǒng)（圖1c），但它使用粘合劑的選擇性沉積來構(gòu)建綠色零件,，隨后對其進行高溫燒結(jié)以首先燃燒聚合物粘合劑,，然后燒結(jié)粉末顆粒以達到最終密度和強度[5]。由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)沒有亞穩(wěn)相,、殘余應力,，并且與使用常規(guī)方法產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)相當。雖然被認為更便宜（生產(chǎn)率更快）,，但該工藝的主要缺點是相對較高的孔隙率[40,41],。

2.2.合金

AM考慮了多種金屬和合金；報道最多的是鈦合金,、鋼,、鎳基高溫合金和鋁合金。而對合金如哈氏合金X,、CoCrX[42–44]和高熵合金如FeCoCrNi[45],，F(xiàn)eCoCrNiC0.05[46,47],，F(xiàn)eCoCrNiAl0.5[48]、FeMnCoCrSi[49]和FeCoCrNiMn[50–52],，也有報道可以使用基于激光的工藝生產(chǎn),，將微觀結(jié)構(gòu)與機械性能（尤其是疲勞和斷裂）聯(lián)系起來的深入研究有限，因此在本綜述中不予以考慮,。

在Ti合金中,，Ti-6Al-4V（Ti6Al4V）是一種α-β合金，開發(fā)最為廣泛,，LB-PBF,、EB-PBF和LB-DED成功用于制造零件。的其他鈦合金,，如Ti13Nb13Zr[53]和Ti6Al2Sn4Zr2Mo[54]使用LB-PBF生產(chǎn),，Ti6.5Al3.5Mo1.5Zr0.3Si使用LB-DED生產(chǎn)。TiAl基合金,，如Ti48Al2Cr2Nb使用LB-PBF[57]和EB-PBF[58,59]生產(chǎn),，5Al4Nb1Mo0.1B使用EB-PBF[60]。

在這些鋼中,，普通奧氏體不銹鋼（SS,，所有名稱符合AISI）316L、304L,、馬氏體時效鋼18Ni300和沉淀硬化17-4PH鋼受到了廣泛關(guān)注,。其中大部分已通過LB-PBF、EB-PBF,、LB-DED和BJP成功制造,。此外，H13工具鋼已使用LB-PBF[61–63]和LB-DED[64,65]生產(chǎn),，420美國使用LB-PBF[66]和BJP[67]生產(chǎn),，P21（ASTM）使用LB-DED[68]生產(chǎn)。鎳基高溫合金因高溫應用而廣為人知,，通過使用LB-PBF,、EB-PBF和LB-DED（包括Inconel 625和718）檢查其印刷性。此外,，還探索了使用微型激光輔助加工工藝制造Inconel 100零件[69],。

使用AM生產(chǎn)的不同鋁合金數(shù)量有限。使用LB-PBF,、EB-PBF和LB-DED成功生產(chǎn)的合金包括時效硬化AlSi10Mg和共晶AlSi12,。已報告的其他牌號包括AA2139（一種使用EB-PBF[70]生產(chǎn)的AlCuMg合金）和AlMg4.4Sc0.66MnZr[71]使用LB-PBF生產(chǎn),。

使用AM加工金屬的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于熱源和原料之間相互作用的性質(zhì),。例如,，鋁對通常用于AM的激光波長具有高反射率，導致熱吸收不良,。此外,，具有高度不同蒸氣壓的合金元素，例如鋁與鎂和鋰合金,，在真空條件下優(yōu)先蒸發(fā),。絕大多數(shù)合金在LB-PBF、EB-PBF和LB-DED期間普遍存在的快速凝固條件下容易開裂,。一般來說,，易焊接合金也適用于這些方法的AM。除此之外,，合金的同素異形性,，例如鈦基和鐵基合金，以及通常與某些AM技術(shù)相關(guān)的大溫度梯度和復雜熱循環(huán),，使得AM工藝,、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系獨特。這反過來又使制造的合金及其機械性能對所用工藝高度敏感,。因此,，在零件制造過程中，需要仔細選擇工藝參數(shù)組合并進行精確控制,，以提高可靠性,。

粉末進料的質(zhì)量決定成型零件的整體質(zhì)量，尤其是在相對密度方面起著至關(guān)重要的作用,。在PBF工藝中,，粉末粒度和分布、球形度,、粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)[72]影響其流動性[73],，從而影響AM工藝中沉積材料的能力[74,75]。Nandwana等人[72]報告說,，更寬的粒度分布導致EB-PBF Ti6Al4V中的孔隙度水平降低,。相反，較大的顆粒尺寸會導致較高的孔隙度,。未熔化粉末的重復使用可導致氧氣的吸收,，進而導致脆化和密度降低。Tang等人[76]報告說,，EB-PBF Ti6Al4V中的剩余粉末逐漸變得不那么球形,，具有明顯的變形和粗糙度，分布更窄,，進而影響缺陷的形成,。

與PBF工藝不同,，DED方法對原料不太敏感。然而,，粉末顆粒表面上的裂紋或劃痕可能導致最終AM零件出現(xiàn)孔隙[2],。Nandwana等人[77]報告，粉末粒度分布和合金化學直接影響B(tài)JP零件的燒結(jié)動力學,，因此,，收縮率和可實現(xiàn)的致密化。例如,，他們認為10:1比例的雙峰粉末粒度分布允許生坯零件和隨后的燒結(jié)零件具有高密度,。

3.AM合金中的微觀和細觀結(jié)構(gòu)

在AM期間，在任何給定情況下,，采用“直接”方法快速凝固少量熔體,，使合金具有類似于使用快速淬火技術(shù)獲得的微觀結(jié)構(gòu)：具有增強固體溶解度的細相、亞穩(wěn)相和組分相,。已沉積層的反復加熱和冷卻（在隨后的層制造過程中）使凝固合金經(jīng)歷復雜的熱循環(huán),，這在微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展方面具有重要的后果（在某些情況下，我們將在后面看到柱狀晶粒）和殘余應力,。這些技術(shù)的另一個固有特征,，逐行和逐層構(gòu)建，產(chǎn)生了一種介觀結(jié)構(gòu),，通常用于反映了行填充間距,、層厚度和掃描策略。所有這些微結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合,，跨越了從納米到米（或更大）尺度的多個長度尺度,，使得AM生產(chǎn)的鋁合金的機械性能獨特，與傳統(tǒng)制造的鋁合金相比有顯著差異,。在本節(jié)中,，我們首先總結(jié)了幾種AM合金類別的共同特征，然后介紹了每種合金系列的特定特征,。

3.1.常見微觀結(jié)構(gòu)特征

3.1.1.凝固胞狀結(jié)構(gòu)

使用直接AM技術(shù)（即LB-PBF,、EB-PBF和LB-DED）制造的許多合金的一個顯著特征是凝固胞狀結(jié)構(gòu)，在LB-PBF和LB-DED合金中其長度范圍為1至1μm,，而使用EB-PBF制造的合金中的通常大于5μm[78–82],。圖2顯示了由LB-PBF[78]生產(chǎn)的316L中細胞微觀結(jié)構(gòu)的代表性圖像。這些結(jié)構(gòu)的形成是凝固過程中成分過冷的結(jié)果,。當固液界面前的液體溫度由于溶質(zhì)濃度高而低于液體的凍結(jié)溫度時,，界面變得不穩(wěn)定，從而有利于枝晶生長[83]。枝晶形態(tài)受溫度梯度（G）和凝固速度（H）的比值控制,。在LB-PBF的情況下,，冷卻速率極高（>10 6 K/s），凝固可用時間不足以形成二次枝晶臂,，從而形成細胞形態(tài)[84]。在冷卻速度相對較慢的LB-DED過程中,，觀察到二次驅(qū)動臂[79],。細胞結(jié)構(gòu)的大小取決于G和H，因此使用工藝參數(shù)[84],。

在幾種合金中觀察到的胞狀結(jié)構(gòu)與溶質(zhì)偏析和位錯胞狀結(jié)構(gòu)有關(guān),。例如，圖2[85]說明了LB-PBF 316L中Cr和Mo向細胞壁的偏析,。這種結(jié)構(gòu)特征的機械原因仍然是一個爭論和正在進行的研究的問題,。在過去十年中提出了幾種機制，其中一些機制如下：（i）定向凝固過程中沿晶胞邊界的溶質(zhì)偏析,，導致溶質(zhì)富集產(chǎn)生應力,。這種應力通過位錯結(jié)構(gòu)的形成來調(diào)節(jié)[84,86]。（ii）溶質(zhì)沿晶胞邊界偏析,，伴隨著幾何上必要的位錯亞結(jié)構(gòu),，導致晶胞邊界的凈錯向[87]。（iii）位錯胞結(jié)構(gòu)是熱收縮產(chǎn)生的殘余應力的結(jié)果,。這種結(jié)構(gòu)后來提供了增強的溶質(zhì)沿其擴散,，導致分離[88]。細胞生長伴隨著高熔點溶質(zhì)的排斥,；例如,，Al-Si合金中的Si[78,80,89]，316L和304L中的Cr-Mo[85],，以及鎳基高溫合金中的Ti-Nb[90],。Bertsch等人[79]認為，盡管溶質(zhì)偏析與定向凝固導致的細胞生長有關(guān),，但位錯細胞可能因高殘余應力而獨立形成,。在LB-DED 316L中，位錯單元獨立于單元邊界,，而在LB-PBF 316L中,，位錯單元對齊。這種差異歸因于后者相對較小的晶胞尺寸,，這在能量上有利于位錯沿晶胞邊界堆積,。需要進一步研究以確定溶質(zhì)偏析和位錯胞的起源。例如，Marangoni表面不穩(wěn)定性在形成復雜細胞結(jié)構(gòu)中的作用有待詳細研究[78],。



圖2  316L的胞狀結(jié)構(gòu)的高清透射電鏡結(jié)果（STEM）,，而EDS成分圖則顯示出Mo和Cr元素在胞邊界的分離，來自文獻85  





圖2-1 SLM（或者叫L-PBF）工藝制備316L不銹鋼（SS）時典型的微觀組織以及拉伸性能的結(jié)果

3.1.2.介觀結(jié)構(gòu)

AM合金中的細觀結(jié)構(gòu)不僅表現(xiàn)為所采用的掃描方法[91],，還表現(xiàn)為紋理[92],、晶界[93,94]和缺陷形成[95,96]。圖3 a出示了LB-PBF AlSi12[80]中的介觀結(jié)構(gòu),。在俯視圖中,，可以看到凝固的激光軌跡，而側(cè)視圖顯示了重疊的熔池橫截面,。熔池邊界對應于激光束的高斯分布[96],，最高深度位于梁的中心。如圖3 b,、c和d所示,，熔體池邊界的硅柵顯示了LB-PBF Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)層之間的掃描旋轉(zhuǎn)分別從90°改變?yōu)?7°[97],。在俯視圖中可以看到兩相合金先前的-β晶粒（PBG）結(jié)構(gòu),，其中90°掃描層形成棋盤狀結(jié)構(gòu)，每個正方形的寬度對應于所采用的掃描間距,，而67°掃描旋轉(zhuǎn)形成更球狀和等軸結(jié)構(gòu),。側(cè)視圖顯示了柱狀PBG結(jié)構(gòu)，也被視為介觀結(jié)構(gòu),，這在AM Ti6Al4V中常見,。在許多情況下，這種細觀結(jié)構(gòu)可能會影響拉伸,、斷裂和疲勞行為的各向異性,，包括制造后處理[3 97–100]，我們將在后面看到,。



圖3 SLM（或者叫 LB-PBF）制備時得到的顯微組織： (a) AlSi12 在采用單道熔化的策略得到的結(jié)果,； (b)熔池邊界區(qū)域存在Si的分離的結(jié)果；  (c) Ti6Al4V在采用每掃描一次旋轉(zhuǎn) 90°的結(jié)果,； (d) 每掃描一次旋轉(zhuǎn)67° 得到的結(jié)果




圖3-1 (a) 在 350W, 650W 和950W的幾種條件下得到的3D形狀的顯微組織圖,； (b) 在350W的條件下接近掃描道德末端的結(jié)果； (c) 掃描道中間的結(jié)果,； (d) 在650W的條件下未熔化Nb的高倍照片,，在(a)圖中使用黃色的矩形來表示；(a)圖中的點線用來表示熔池的邊界 ,。

模擬結(jié)果的快照圖： (a) 350W和 (b) 950W樣品的打印時的單道熔池的演變samples.其中X-Z橫截面的位置屬于參數(shù)  (c) 350W 和 (d) 950W 的樣品,，而 y-z 橫截面則屬于相同的位置 (e) 350W和(f) 950W 樣品.其中在圖c-f中的標尺為 200 μm  



圖 3-2 在打印Al合金時的顯微組織


文章來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals,Acta Materialia,Volume 219, 15 October 2021, 117240,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考資料：Wang, Y., Voisin, T., McKeown, J. et al. Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility. Nature Mater 17, 63–71 (2018). https://doi.org/10.1038/nmat5021