《Acta Mater》增材制造凝固过程的晶粒取向梯度

来源：材料科学与工程


增材制造工艺参数（如激光功率、扫描速度、搭接间距、扫描策略等）对成型后的微观组织和力学性能的稳定性有着极大的影响。在制造过程中，通常采用合适的工艺窗口来更好的控制制造过程，同时能获得制造过程中的热模拟模型，以便掌握零件制造过程中的受热变化。

而热模型可以用来模拟增材制造材料凝固过程中的微观组织变化、热梯度变化以及固液界面的液体流速变化等；再加上动力学蒙特卡洛方法、元胞自动机等方法对模型的修正，可以很好的获得对应的增材制造过程中的微观组织变化规律。

但是这不仅忽略了凝固过程中的形核与长大过程，而且还忽略了凝固组织取向的变化对力学性能带来的影响。来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校的研究表明，在凝固方向上，晶粒内部存在一定的取向差，并且其取向差与成分偏析有关，这对增材制造的材料设计提供了一种思路。相关论文以题为“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”于2月15日发表在金属材料领域顶刊Acta Materialia。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645419307189

作者基于LENS增材制造技术制备样品，利用基于飞秒激光TriBeam系统、FIB以及EBSD技术对样品进行逐层扫描，获得每一断层的EBSD数据，再进行三维重构，从而得到晶粒组织的三维形貌。利用K均值聚类算法，获得晶粒的形核位置，以形核位置的取向为基准，标定晶粒在生长方向上的的取向差，并讨论了三维晶粒形成的原因，发现随着晶粒在热梯度方向上的凝固，晶粒的最后凝固的部分具有最大的取向差；并结合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差与元素分布的存在对应关系。

图1 晶粒形貌与取向变化

图2 聚类分析结果

图3 元素分布于取向差的对应关系

图4 不同截面304不锈钢EBSD组织图

增材制造过程中形成的偏析是很难通过后续的热处理消除了，而偏析对于材料的性能具有不利影响，如材料的耐腐蚀性能。材料中形成的局部取向差可能会导致应力集中，这对材料的力学性能不利，进而降低材料的使用寿命。而通过调整增材制造工艺参数，控制材料的凝固过程可作为减小凝固形成的取向差的一种方法，提高材料寿命。同时，可根据传统材料的成分，调整成分配比，减小凝固过程中低温条件下的液相体积分数，可减少偏析。这为增材制造的材料成分设计提供了一种思路。