華南理工：熱處理促進(jìn)再結(jié)晶,，調(diào)控LPBF制備CoCrMo合金各向異性

2025年3月17日，南極熊獲悉,，來自華南理工大學(xué)和北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院的研究人員分析了熱處理工藝對(duì)激光粉末床熔融 (LPBF) 制造CoCrMo 合金各向異性行為的影響,，重點(diǎn)研究了微觀結(jié)構(gòu)變化,、機(jī)械各向異性和殘余應(yīng)力降低,。研究探索了在 1150°C 下進(jìn)行 1 小時(shí)的固溶處理，然后在 450°C 下進(jìn)行 0.5 小時(shí)的退火,，如何改變晶粒形態(tài),、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

相關(guān)研究以題為“Recrystallization induced by heattreatment regulates the anisotropic behavior of CoCrMo alloys fabricated bylaser powder bed fusion”的論文發(fā)表在《Materials Futures》期刊上,。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5724/adb50a

CoCrMo 合金因其耐腐蝕,、耐磨和機(jī)械耐久性而被廣泛用于骨科植入物。使用 LPBF 制造時(shí),，逐層凝固過程會(huì)產(chǎn)生沿構(gòu)建方向排列的柱狀晶粒結(jié)構(gòu),，從而導(dǎo)致機(jī)械性能因方向不同而產(chǎn)生顯著差異。該研究量化了這些變化,，并評(píng)估了熱處理如何改變材料的結(jié)構(gòu)以解決機(jī)械差異,。

△LPBF制備的 CoCrMo 合金的微觀結(jié)構(gòu)分析。圖片來自Materials Futures,。

機(jī)械測(cè)試表明,，打印的 CoCrMo 樣品沿構(gòu)建方向的伸長(zhǎng)率為 19.1%，而垂直方向的伸長(zhǎng)率僅為 9.3%,，差異超過 100%,。沿構(gòu)建軸的極限拉伸強(qiáng)度 (UTS) 也更高，為 1173.7 MPa,，而垂直方向?yàn)?strong>1048.6 MPa,。

柱狀晶粒通常沿 <001> 方向排列，限制了跨晶界的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),，導(dǎo)致垂直于構(gòu)建軸的延展性降低,。熔池邊界的高位錯(cuò)密度進(jìn)一步影響了應(yīng)力分布，導(dǎo)致較弱方向上的過早失效。

再結(jié)晶重新配置晶粒形態(tài)

在 1150°C 下進(jìn)行一小時(shí)的固溶熱處理可引發(fā)完全再結(jié)晶,，將柱狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒,。電子背散射衍射 (EBSD) 分析測(cè)得的再結(jié)晶率為 94.6%，證實(shí)打印樣品中觀察到的高縱橫比晶粒結(jié)構(gòu)已被消除,。

熱處理樣品的拉伸試驗(yàn)表明,，UTS 值在各個(gè)方向上均等，分別為 906.1 MPa 和 879.2 MPa,，而伸長(zhǎng)率分別達(dá)到 20.2% 和 17.9%,。晶粒形態(tài)的轉(zhuǎn)變降低了各向異性效應(yīng)，提高了機(jī)械性能的均勻性,。

△粉末形態(tài)和 LPBF 加工參數(shù),。圖片來自 Materials Futures。

固溶處理后,，在 450°C 下退火0.5 小時(shí),，引發(fā)了額外的微觀結(jié)構(gòu)變化。TEM 成像在熱處理樣品中發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)馬氏體板條和退火孿晶,。核平均取向差 (KAM) 映射證實(shí),，熱處理后殘余應(yīng)力顯著降低。

晶粒尺寸分析發(fā)現(xiàn),，熱處理后的樣品保留了晶粒直徑的輕微各向異性,，但消除了由晶粒形態(tài)引起的伸長(zhǎng)率差異。X射線衍射（XRD）測(cè)量表明,，γ-FCC和ε-HCP相在熱處理后保持穩(wěn)定,，未檢測(cè)到相變。

殘余強(qiáng)度降低及進(jìn)一步研究考慮

盡管熱處理消除了各向異性的機(jī)械行為,，但與打印的 CoCrMo 合金相比,，處理后的樣品強(qiáng)度有所降低。固溶處理去除了柱狀晶粒結(jié)構(gòu),，而退火通過沉淀物形成和孿晶界引入了新的強(qiáng)化機(jī)制,。

需要進(jìn)一步研究來評(píng)估晶粒邊界處沉淀物的形成如何影響長(zhǎng)期斷裂行為。該研究沒有檢查耐磨性或疲勞性能,，因此對(duì)經(jīng)過處理的 CoCrMo 合金在循環(huán)載荷下的性能仍存在疑問,。

△再結(jié)晶對(duì)晶粒取向和相變的影響。圖片來自 Materials Futures,。