LPBF 增材制造过程中合金成分梯度主导晶粒生长的机制分析

来源：Materials Research Letters

激光粉末床熔化(LPBF)增材制造技术使用激光束选择性地熔化粉末床上的合金粉末。该技术还可用于连接两种不同合金。然而，在使用LPBF将一层合金3D打印到另一异种合金基底上的过程中，两种合金的热物理属性不匹配可能会导致界面裂纹。研究表明，异种合金之间的微互锁界面有助于提高界面结合强度并产生弯曲的颗粒。与典型的晶粒形态相比，弯曲晶粒有可能提高高温蠕变和疲劳寿命。

近日，Materials Research Letters 期刊刊登了Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion 一文。在当前的研究中，研究人员已经开发了一种多材料高保真数值模型。通过多材料模拟和各种实验测试，可以更好地掌握异种合金成分分布的3D空间特征以及合金成分对显微组织的影响。

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▲论文链接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2023.2250826

图1. 激光粉末床熔化(LPBF)单轨示意图。横截面A-A平行于扫描方向并垂直于基板。横截面B-B垂直于扫描方向和基板。熔池深度(Dm)是从熔池底部到基材顶部的距离。熔池宽度(Wm)是基板顶部的轨道宽度。

图2. 横截面 A-A上激光功率L = 100 W 和扫描速度V = 300 mm/s 的单轨实验(a)和模拟(b)获得的合金成分分布。为了清楚起见，研究团队将富含Fe(红棕色)的区域代表316L，将富含Ni(绿色)的区域代表IN718。316L/IN718的2D成分梯度分布(c)及其相应的3D成分梯度等值面形状(d)是从数值模拟中获得的。图(d)是从图1中的视角Ⅰ观察的。

通过实验，研究团队从2D角度观察了合金成分分布特征[图2 (a)]，但无法从3D角度观察合金成分分布的空间特征。值得注意的是，从数值模拟的 2D 角度来看，不同合金成分梯度呈现出弯曲的条纹形状 [图2 (c)]。将图2 (c) 与2(b)进行比较，可以观察到成分梯度和成分分布有很好的联系，316L和IN718在成分梯度两侧，意味着异种合金的成分梯度等值面可以反映主要成分分布的空间特征。

图3. 当激光功率L = 200 W、扫描速度V = 1500 mm/s时使用 EDS 和 EBSD 获得的异种合金的成分分布、成分梯度和微观结构参见 (a)。当激光功率L = 100 W、扫描速度V = 30 mm/s时的成分分布、成分梯度和微观结构参见 (b)。弯曲晶粒角度定义示意图参见(c)。不同工艺参数下的弯曲晶粒形状特征见(d)。

此前研究得出一个重要结论：合金成分主导晶粒生长[Yao Liming et al., Acta Mater,2021,220]。本文进一步研究发现，合金成分是影响晶粒生长的重要因素，而合金成分梯度(ACG)是主导晶粒生长的本质原因。虽然异种合金之间存在相互扩散[图3 (a)]，但可以观察到合金成分梯度较大的位置与弯曲晶粒的晶界重合。因此，研究团队将合金成分梯度(ACG)作为评价合金成分(ACG)对合金显微组织影响的指标，详情参见原文。

图4. 温度梯度 (a)、成分梯度 (b) 和混合 (c) 模式分别主导弯曲晶粒生长的机制示意图。

熔池的横纵比(Dm/Wm)可以更好地描述其形状特征。当Dm/Wm≥0.55时，Marangoni力导致异种合金有很强的相互扩散倾向[图3 (d) ]。|ACG|<100000表示没有显着的成分转变，导致温度梯度主导晶粒生长，大多数晶粒垂直于熔池边界[图4 (a)]。当0.25≤Dm/Wm< 0.55时[图3(d)]，Marangoni力导致熔池中的异种合金表现出适度的相互扩散倾向。合金成分分布呈曲线条状，厚度约为15μm。在15μm区域不易生成多个晶核，加上较大的合金成分梯度(|ACG|≥100,000)主导晶粒生长，导致独立的弯曲晶粒，角度高达272°。值得注意的是，温度梯度在这一阶段的晶粒生长过程中仍然发挥着作用，但成分梯度对晶粒生长的影响比温度梯度更强烈，也可以理解为大的合金成分梯度在晶粒生长过程中起到了能量势垒的作用[图4 (b)]。当Dm/Wm≤0.55时，IN718熔体的对流距离较短，IN718熔体聚集在单一轨道上方，其当量直径> 45 μm。虽然|ACG|≥100000，表明异种合金之间发生剧烈的化学转变，仍然形成晶粒生长的能垒，导致晶界与合金成分梯度大的位置重合。但由于独立的合金成分范围较大，其内部晶粒生长仍然受到温度梯度主导，这种情况是混合模式[图4 (c)]。

论文引用信息：

Liming Yao, Zhongmin Xiao, Zhiongsheng Hoo, Chao Tang*, Jing Qiao* & Yanmei Zhang (2023) Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion,Materials Research Letters, 11:10, 814-820.https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2250826