《Natue》子刊：具有可编程微观结构和性能的合金增材制造!

来源： 增材在线

在冶金学中，机械变形对于设计金属的微观结构和调整其机械性能至关重要。然而，对于增材制造(AM)生产的近净形状金属零件，机械变形并不适用，因为它会不可避免地损害精心设计的几何形状。

2023年10月30日，来自新加坡、瑞士、芬兰、澳大利亚和英国的学者在《Nature Communications》（中科院1区，Top，影响因子16.6）发表最新研究成果“Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties“，通过控制激光粉末床熔融（LPBF）技术生产的合金钢的位错密度和热稳定性来规避这一限制。

研究背景
社会中使用的许多金属制造技术依赖于机械和热工艺的结合，将材料塑造成所需的几何形状，并同时设计其微观结构和性能。例如，可以控制金属锻造和挤压过程中引入的机械应变量，以通过位错积累来硬化材料，或在热处理(HT)时触发微观结构再结晶，这是一种新的无缺陷晶粒成核和生长的现象，产生更高的韧性和更各向同性的机械性能。

这种典型的“加热和敲击”方法（自青铜时代以来一直在使用）在采用现代增材制造(AM)技术时就会失效。AM，也称为三维(3D)打印，可以将材料逐层连接在一起，以生产具有以前不可能实现的几何复杂性的近净形状零件。由于材料和几何形状是在增材制造过程中同时形成的，因此在不不可避免地损害零件复杂形状的情况下，不可能对固体进行进一步的机械加工以驱动受控的微观结构变化。因此，与传统制造路线相比，增材制造提供的控制金属微观结构和调整其性能的机会较少。因此，大量研究集中在设计增材制造工艺上，旨在优化打印时的微观结构。

该工作中，研究人员展示了如何在不依赖机械变形的情况下控制增材制造不锈钢的微观结构演变。利用激光粉末床熔融(LPBF)技术，设计了加工策略来“编程”打印合金的热稳定性，以便可以先验地决定材料的微观结构在高温处理下将如何演变。这些策略恢复了传统金属加工提供的一些微观结构控制能力。更重要的是，它们允许通过以3D和高空间分辨率对合金的微观结构进行特定位点编程来创建新材料。金属的位点特定微观结构控制是AM最独特和最具吸引力的功能之一。该策略展示了这种范例的先进方法，能够同时直接控制多个微观结构特征的演变，通过优化的机械和物理性能拓宽工程材料的设计空间。

图1. (a) 由LPBF生产的金属样品的横截面示意图，显示了熔池和由此产生的热影响区(HAZ)。(b-c) 电子背散射衍射图显示热处理H-SS316L和L-中沿构建方向(BD)的晶体取向（IPF，反极图）、核平均取向误差(KAM)和晶界(GB)特征分布分别为SS316L。HAGB、LAGB和TB分别代表大角度晶界、低角度晶界和孪晶界。SD表示扫描方向。(d-e) KAM图分别说明了构建平面内和沿BD方向对再结晶的特定位点控制。(d)中的二进制代码代表“AM”。

图2. （a）显示样品中熔池排列的光学显微照片。(b) 通过EBSD测量并根据有限元模型(FEM)获得的累积塑性应变估算几何必要位错(GND)密度。这些值指的是打印SS316L样品。该工作中实验熔池宽度(w)为70μm。（c）使用35 μm(h=35 μm)的扫描距离生成的SS316L样品的顶面横截面EBSDKAM图和中心区域的顶视图KAM图。黄色曲线表示熔池边界。红色虚线表示中心线。(d) KAM图突出显示了使用h=35 μm和h=10 μm生成的样品之间晶体取向差分布的差异，分别对应于(b)中的第一个和最后一个数据点（包含在虚线圆圈内）。

图3. （a）粗层和细层微结构的印刷设计和相应的EBSDKAM图。（b）通过测试未再结晶、完全再结晶和层状显微组织获得的实验应力-应变曲线。（c）精细结构的实验和估计加工硬化率之间的比较。估计值基于使用粘塑性模型的混合规则(ROM)。实验数据偏离了两相ROM，但与将组成微观结构之间的界面视为具有有限厚度和不同机械性能的第三相的数据相匹配。（d）通过EBSD测量的几何必要位错(GND)图显示机械测试时两个微结构成分之间界面处的堆积（黄色箭头）。（e）不同样品的异形变形诱导(HDI)应力随塑性应变的变化。（f）使用三相ROM粘塑性模型模拟具有可变数量界面的层状微结构的应力-应变曲线。

论文引用

Gao, S., Li, Z., Van Petegem, S. et al. Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties. Nat Commun 14, 6752 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42326-y