华南理工：热处理促进再结晶，调控LPBF制备CoCrMo合金各向异性

2025年3月17日，南极熊获悉，来自华南理工大学和北京清华长庚医院的研究人员分析了热处理工艺对激光粉末床熔融 (LPBF) 制造CoCrMo 合金各向异性行为的影响，重点研究了微观结构变化、机械各向异性和残余应力降低。研究探索了在 1150°C 下进行 1 小时的固溶处理，然后在 450°C 下进行 0.5 小时的退火，如何改变晶粒形态、抗拉强度和伸长率。

相关研究以题为“Recrystallization induced by heattreatment regulates the anisotropic behavior of CoCrMo alloys fabricated bylaser powder bed fusion”的论文发表在《Materials Futures》期刊上。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5724/adb50a

CoCrMo 合金因其耐腐蚀、耐磨和机械耐久性而被广泛用于骨科植入物。使用 LPBF 制造时，逐层凝固过程会产生沿构建方向排列的柱状晶粒结构，从而导致机械性能因方向不同而产生显著差异。该研究量化了这些变化，并评估了热处理如何改变材料的结构以解决机械差异。

△LPBF制备的 CoCrMo 合金的微观结构分析。图片来自Materials Futures。

机械测试表明，打印的 CoCrMo 样品沿构建方向的伸长率为 19.1%，而垂直方向的伸长率仅为 9.3%，差异超过 100%。沿构建轴的极限拉伸强度 (UTS) 也更高，为 1173.7 MPa，而垂直方向为1048.6 MPa。

柱状晶粒通常沿 <001> 方向排列，限制了跨晶界的位错运动，导致垂直于构建轴的延展性降低。熔池边界的高位错密度进一步影响了应力分布，导致较弱方向上的过早失效。

再结晶重新配置晶粒形态

在 1150°C 下进行一小时的固溶热处理可引发完全再结晶，将柱状晶粒转变为等轴晶粒。电子背散射衍射 (EBSD) 分析测得的再结晶率为 94.6%，证实打印样品中观察到的高纵横比晶粒结构已被消除。

热处理样品的拉伸试验表明，UTS 值在各个方向上均等，分别为 906.1 MPa 和 879.2 MPa，而伸长率分别达到 20.2% 和 17.9%。晶粒形态的转变降低了各向异性效应，提高了机械性能的均匀性。

△粉末形态和 LPBF 加工参数。图片来自 Materials Futures。

固溶处理后，在 450°C 下退火0.5 小时，引发了额外的微观结构变化。TEM 成像在热处理样品中发现了纳米级马氏体板条和退火孪晶。核平均取向差 (KAM) 映射证实，热处理后残余应力显著降低。

晶粒尺寸分析发现，热处理后的样品保留了晶粒直径的轻微各向异性，但消除了由晶粒形态引起的伸长率差异。X射线衍射（XRD）测量表明，γ-FCC和ε-HCP相在热处理后保持稳定，未检测到相变。

残余强度降低及进一步研究考虑

尽管热处理消除了各向异性的机械行为，但与打印的 CoCrMo 合金相比，处理后的样品强度有所降低。固溶处理去除了柱状晶粒结构，而退火通过沉淀物形成和孪晶界引入了新的强化机制。

需要进一步研究来评估晶粒边界处沉淀物的形成如何影响长期断裂行为。该研究没有检查耐磨性或疲劳性能，因此对经过处理的 CoCrMo 合金在循环载荷下的性能仍存在疑问。

△再结晶对晶粒取向和相变的影响。图片来自 Materials Futures。