《Natue》子刊：具有可編程微觀結構和性能的合金增材制造!

來源： 增材在線

在冶金學中,，機械變形對于設計金屬的微觀結構和調(diào)整其機械性能至關重要。然而,，對于增材制造(AM)生產(chǎn)的近凈形狀金屬零件,，機械變形并不適用，因為它會不可避免地損害精心設計的幾何形狀,。

2023年10月30日,，來自新加坡、瑞士,、芬蘭,、澳大利亞和英國的學者在《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“,，通過控制激光粉末床熔融（LPBF）技術生產(chǎn)的合金鋼的位錯密度和熱穩(wěn)定性來規(guī)避這一限制。

研究背景
社會中使用的許多金屬制造技術依賴于機械和熱工藝的結合,，將材料塑造成所需的幾何形狀,，并同時設計其微觀結構和性能。例如,，可以控制金屬鍛造和擠壓過程中引入的機械應變量,，以通過位錯積累來硬化材料，或在熱處理(HT)時觸發(fā)微觀結構再結晶,，這是一種新的無缺陷晶粒成核和生長的現(xiàn)象,，產(chǎn)生更高的韌性和更各向同性的機械性能。

這種典型的“加熱和敲擊”方法（自青銅時代以來一直在使用）在采用現(xiàn)代增材制造(AM)技術時就會失效,。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)具有以前不可能實現(xiàn)的幾何復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程中同時形成的，因此在不不可避免地損害零件復雜形狀的情況下,，不可能對固體進行進一步的機械加工以驅動受控的微觀結構變化,。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構和調(diào)整其性能的機會較少,。因此，大量研究集中在設計增材制造工藝上，旨在優(yōu)化打印時的微觀結構,。

該工作中,，研究人員展示了如何在不依賴機械變形的情況下控制增材制造不銹鋼的微觀結構演變。利用激光粉末床熔融(LPBF)技術,，設計了加工策略來“編程”打印合金的熱穩(wěn)定性,，以便可以先驗地決定材料的微觀結構在高溫處理下將如何演變。這些策略恢復了傳統(tǒng)金屬加工提供的一些微觀結構控制能力,。更重要的是,，它們允許通過以3D和高空間分辨率對合金的微觀結構進行特定位點編程來創(chuàng)建新材料,。金屬的位點特定微觀結構控制是AM最獨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方法，能夠同時直接控制多個微觀結構特征的演變,，通過優(yōu)化的機械和物理性能拓寬工程材料的設計空間,。

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圖分別說明了構建平面內(nèi)和沿BD方向對再結晶的特定位點控制。(d)中的二進制代碼代表“AM”,。

圖2. （a）顯示樣品中熔池排列的光學顯微照片,。(b) 通過EBSD測量并根據(jù)有限元模型(FEM)獲得的累積塑性應變估算幾何必要位錯(GND)密度。這些值指的是打印SS316L樣品,。該工作中實驗熔池寬度(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，分別對應于(b)中的第一個和最后一個數(shù)據(jù)點（包含在虛線圓圈內(nèi)）,。

圖3. （a）粗層和細層微結構的印刷設計和相應的EBSDKAM圖,。（b）通過測試未再結晶、完全再結晶和層狀顯微組織獲得的實驗應力-應變曲線,。（c）精細結構的實驗和估計加工硬化率之間的比較,。估計值基于使用粘塑性模型的混合規(guī)則(ROM)。實驗數(shù)據(jù)偏離了兩相ROM,，但與將組成微觀結構之間的界面視為具有有限厚度和不同機械性能的第三相的數(shù)據(jù)相匹配,。（d）通過EBSD測量的幾何必要位錯(GND)圖顯示機械測試時兩個微結構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(HDI)應力隨塑性應變的變化。（f）使用三相ROM粘塑性模型模擬具有可變數(shù)量界面的層狀微結構的應力-應變曲線,。

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