金属顶刊AM：通过控制介观尺度化学异质性，增材制造复杂微观结构高性能金属材料

来源：材料学网

导读：金属的激光粉末床熔合 (LPBF) 是一种流行的增材制造 (AM) 模式，其优点是无需额外加工即可生产复杂形状。然而获得的微观结构是简单凝固结构，这限制了可以实现的微观结构复杂性，从而限制了可获得的性能。本文提出并验证了一个基于物理模型，以预测由不同成分的物理混合粉末的LPBF产生的化学成分分布。我们证明了混合具有不同成分的粉末可用于产生有意识控制的LPBF中的中尺度化学异质性，允许形成多相微观结构并为LPBF提供新的微观结构复杂性。双相不锈钢由相等比例的铁素体和奥氏体组成，这为向金属的LPBF提供微观结构复杂性开辟了一条新途径。

工程合金的历史是一个不断增加微观结构复杂性的故事。在寻找更轻、更强、更坚韧等合金的过程中，冶金学家设计了越来越复杂的合金化学成分和微观结构，以提供改进的性能组合。由于使用了复杂的热机械加工，这种微观结构的复杂性是可能的。用于将材料形成所需形状的过程，还可以很好地控制微观结构。可实现的微观结构复杂性与加工提供的自由度有关。增材制造(AM)也是一种应用于工程合金的加工方法，近年来它已从实验室转移到工业生产。合金的增材制造现在是许多行业可用的实用加工方法。

LPBF是目前最常见的合金增材制造方法，其重要优势是能够构建具有非常复杂形状的组件，而无需（或仅进行少量）额外处理。然而，LPBF提供了这种非常理想的形状复杂性，以牺牲微观结构复杂性所提供的加工自由度为代价。LPBF后获得的微观结构是凝固组织，本身就很有趣，但它们通常是单相，或带有一些较小的、相对不受控制的第二相的单相。从相排列的角度来看，与当今使用的最先进的合金微观结构相比，它们相对简单。虽然热处理可以应用于由LPBF制造的组件，但这些都仅限于相对低温的简单处理（例如应力消除退火），以免扭曲或修改复杂形状，这是LPBF的一大优势。

在此，莫纳什大学材料科学与工程系克里斯托弗· 哈钦森研究员团队研究了如何通过粉末混合控制的中尺度化学异质性，将微观结构复杂性传递给使用LPBF在竣工状态下生产的AM组件，提出并验证了一种基于物理的模型来预测成分分布，并通过生产包含大致相等比例的铁素体和奥氏体的处于竣工状态的双相不锈钢来证明该方法。该方法是通用的，可以应用于任何粉末混合物或合金类别。这为AM开辟了一个新方向，使用LPBF来控制化学异质性，从而带来微观结构复杂性和改进的性能组合。相关研究成果以题“Delivering microstructural complexity to additively manufactured metals through controlled mesoscale chemical heterogeneity”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 45422000210#fig0001

图 1（a）LPBF工艺示意图，显示熔池重叠和先前沉积层的重熔， b-d)模型中使用的熔化和混合过程的反卷积。

众所周知，22Cr粉末的LPBF导致基本上100%的铁素体状态。在我们的粉末混合物中，纯Ni或INC625作为Ni的来源，Ni是一种奥氏体稳定剂，有利于在富含Ni的熔池中形成奥氏体。通过合适的粉末混合物（6％Ni或13％Inc625）和打印条件的选择，可以控制（方程4）来控制组合物分布，以在原制状态下给予双链奥氏体和铁氧体结构。

图 2  a) 和b) 22Cr-6Ni、c)和d) 22Cr-13INC625粉末混合物的完工结构的光学显微照片。构建方向是垂直的，b) 和 d) 分别代表 a) 和 c) 中方框区域的放大区域。较浅的收缩区域对应于铁素体 (BCC)，而较暗的对比区域对应于奥氏体(FCC)。

图 3来自 a) 22Cr-6Ni混合粉末和 b) 22Cr-13INC625混合粉末的X射线衍射光谱，处于竣工状态。还显示了完整的模式Rietveld细化。铁素体和奥氏体是唯一发现的相。

扫描电子显微镜(SEM)中显示的两种印刷混合物的电子背散射衍射(EBSD)观察结果。图4（yz平面）和5（xy平面）确认了竣工状态下的相位分布。

图 4显示两种粉末混合物的建成结构的方向（a和c）和相识别图（b和d）的反极图图。构建方向是垂直的。

图 5显示两种粉末混合物的建成结构的方向（a和c）和相识别图（b和d）的反极图图。构建方向在页面之外。

图 6能量色散光谱(EDS)线扫描在竣工状态下的铁素体和奥氏体区域，显示元素的空间分布。(a和c) 对应于22Cr-6Ni粉末混合物，(b和d) 对应于22Cr-13INC625粉末混合物。奥氏体区域与Ni的局部富集相关。

图 7  a) 22Cr-6Ni粉末混合物和c) 22Cr-13INC625粉末混合物中捕获的少数粉末颗粒数量的离散泊松概率分布P、Q和R；b)从a)计算的22Cr-6Ni混合物的相应镍熔池浓度概率分布，和d)从c)计算的22Cr-13INC625混合物的相应镍熔池浓度概率分布。

图 8使用EDS实验测量并根据R(x)计算的Ni累积概率分布的比较：a) 22Cr-6Ni，粗体模型曲线使用11.2%的平均Ni含量计算（基于6 wt.% 纯Ni)和虚线是使用10.6% wt的平均Ni含量计算的。%使用EDS测量，b) 22Cr-13INC625，粗曲线使用13.0% 的平均Ni含量计算（基于 13 wt.% INC625），虚线使用13.1% wt.的平均Ni含量计算。使用EDS测量的百分比。EDS数据分为0.5Ni wt。累积分布的%间隔，这反映在水平误差条中。

图 9比较使用EDS实验测量并根据模型计算的22Cr-6Ni粉末混合物在不同印刷计划下的 Ni累积概率分布。a) 150mm/s 50% 重叠，b) 200mm/s 50% 重叠，c) 300mm/s 50% 重叠，d) 150mm/s 0% 重叠，e) 150mm/s 50% 重叠和 f) 150mm/s 100% 重叠。EDS数据分为0.5Ni wt。累积分布的%间隔，这反映在水平误差条中。

图 10  a) 在22Cr-6Ni粉末混合物中对三种不同的激光扫描速度进行实验测量的FCC相分数，b) a)中包含的样品的Ni浓度的实验EDS测量的累积概率分布。对应于每个扫描速度的实验测量的FCC分数的临界Ni含量在b) 中表示。b) 中显示的EDS数据分为0.5Ni wt。累积分布的%间隔，这反映在水平误差条中。

图 11  22Cr-6Ni和22Cr-13INC625粉末混合物在竣工状态下的工程应力-应变响应。显示商业锻造22Cr双相不锈钢与100% 22Cr双相不锈钢在印刷并在1100C下热处理15分钟以产生双相显微组织后的拉伸响应以进行比较。用于所示测试的所有样品都具有相同的样品几何形状和尺寸。

图 12在模拟海水环境的静态0.6 M NaCl中进行循环动电位极化(CPP)测试；a)竣工状态的 22Cr-6Ni 合金，和 b)竣工状态的22Cr-13INC625。展示了商业锻造22Cr双相不锈钢和经过热处理以呈现双相结构的LPBF 22Cr材料以进行比较。

图 13在10%草酸溶液中以1 A/cm 2蚀刻15秒后打印的粉末混合物的光学轮廓测量图像。(a和b) 竣工状态的22Cr-6Ni 合金，(c和d) 竣工状态的22Cr-13INC625。

这一贡献证明了如何使用简单的基于物理的模型预测由物理混合粉末制成的 LPBF 固结组件中的化学分布，并用于控制竣工状态下的相形成。仅混合两种粉末以强调仅一种物质 (Ni) 中的梯度的相对简单的案例已被用于证明双相不锈钢作为原型的贡献。这是我们可以想象的最简单的例子之一，但由此产生的性能已经表明机械响应优于传统的双相不锈钢，并且电化学性能可能相似。