粉末粒徑可以控制增材制造合金微觀結(jié)構(gòu)

來源：增材金屬粉末新視野

通常情況下，增材制造金屬材料的微觀組織是由打印工藝參數(shù)所控制的，然而一項顛覆性的研究報道，發(fā)現(xiàn)粉末粒徑竟然也可以實現(xiàn)微觀組織調(diào)控！

在金屬增材制造中，微觀結(jié)構(gòu)控制是實現(xiàn)卓越和定制機械性能的關(guān)鍵。如何在增材制造的快速凝固過程完成柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)變是增材制造技術(shù)進步的關(guān)鍵。

來自南洋理工大學的Shubham Chandra等研究人員在nature communications雜志上報告了一種粉末粒徑驅(qū)動的微觀結(jié)構(gòu)控制，即通過觸發(fā)粉末尺寸對增材制造的316L不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)的反直覺響應，展示了晶粒形貌的簡單和大規(guī)模控制。

粉末粒度驅(qū)動的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控方法
研究人員在該方法下，使用細粉獲得粗晶或近單晶微觀結(jié)構(gòu)，使用粗粉獲得近等軸細晶(<10 μm)微觀結(jié)構(gòu)。

這種方法在不增加成本的情況下，對定向能沉積和粉末床熔合具有豐富的適應性，其中粉末流預熱效應和粉末床熱物理性質(zhì)決定了微觀結(jié)構(gòu)的變化。

這項工作為利用原料粒度分布實現(xiàn)更可控、更具成本效益和可持續(xù)的金屬增材制造提供了一條途徑。

3D 打印 SS316L 微觀結(jié)構(gòu)中粉末力度驅(qū)動的晶粒形態(tài)和尺寸控制

熔池結(jié)構(gòu)與DED過程中微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控

△SS316 L 的 DED 打印單軌中的熔池結(jié)構(gòu)

△DED 過程中粉末力度驅(qū)動的微觀結(jié)構(gòu)控制

機器學習框架在粉末床性能預測中的應用
用于預測粉末粒度對燒結(jié)粉末床熱物理性能影響的機器學習框架。

粉末粒度工程在E-PBF工藝和樣品性能中的應用

粉末粒度驅(qū)動的熔池工程應用于 E-PBF 工藝，以實現(xiàn)簡單和大規(guī)模的晶粒控制

△E.  PBF 和 L-DED 制造的細粉和粗粉樣品的機械響應

微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對機械性能的影響

在熔池凝固過程中，伴隨著柱狀到等軸晶的快速、大規(guī)模的組織控制。

在這項工作中，在L-DED和E-PBF中都發(fā)現(xiàn)了柱狀到等軸晶的轉(zhuǎn)變，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈的轉(zhuǎn)變，晶粒尺寸比E-PBF沉積的SS316L精細約3倍。

等軸微觀結(jié)構(gòu)導致各向同性力學響應，其極限抗拉強度和伸長率分別比孿晶誘導塑性產(chǎn)生的粗柱狀微觀結(jié)構(gòu)高17%和62%。

是一種新的控制3D打印金屬部件晶粒微觀結(jié)構(gòu)的低成本且可持續(xù)的方法。

在兩種主流的PF-AM技術(shù)中，關(guān)于原料粉末粒度對熔池幾何形狀的影響的觀察可以證明在進一步擴大金屬AM的材料范圍方面是富有成效的。

原理解釋與工藝差異分析

在L-DED過程中，顆粒的大小決定了其在激光輻照區(qū)的流動，因此其預熱作為熔池的二次熱源。

而在E-PBF過程中，粉末床層熱物理性質(zhì)的變化驅(qū)動了微觀組織的轉(zhuǎn)變。

該項工作開發(fā)的機器學習框架也突出了粉末尺寸與粉末床熱物理性質(zhì)之間的復雜關(guān)系。

此外，建議需要進行大量研究以探索比當前規(guī)范更大的顆粒尺寸。

應用前景與結(jié)論
該項工作不僅證明了顆粒原料的粉末粒度對AM微觀結(jié)構(gòu)的影響，而且還探索了它可以產(chǎn)生特定位點的微觀結(jié)構(gòu)控制，實現(xiàn)了對晶粒微觀結(jié)構(gòu)的簡單控制，即幾乎無法實現(xiàn)的晶粒形態(tài)和尺寸的廣譜控制。

該研究的3D打印樣品的近等軸微觀結(jié)構(gòu)打開了傳統(tǒng)合金的適用性，如SS316L，同時具有非凡的材料性能，如高強度和延展性，機械各向同性和均勻性，以及超塑性。

相反，從細粉末中獲得的近單晶微觀結(jié)構(gòu)為打印Ni基高溫合金單晶提供了指導，以獲得理想的高溫抗蠕變性能。

這項工作為利用粉末粒度分布實現(xiàn)更可控、更具成本效益和可持續(xù)的金屬增材制造提供了一條途徑。