《Acta Mater》增材制造凝固過程的晶粒取向梯度

來源：材料科學(xué)與工程


增材制造工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、搭接間距、掃描策略等）對成型后的微觀組織和力學(xué)性能的穩(wěn)定性有著極大的影響。在制造過程中，通常采用合適的工藝窗口來更好的控制制造過程，同時能獲得制造過程中的熱模擬模型，以便掌握零件制造過程中的受熱變化。

而熱模型可以用來模擬增材制造材料凝固過程中的微觀組織變化、熱梯度變化以及固液界面的液體流速變化等；再加上動力學(xué)蒙特卡洛方法、元胞自動機等方法對模型的修正，可以很好的獲得對應(yīng)的增材制造過程中的微觀組織變化規(guī)律。

但是這不僅忽略了凝固過程中的形核與長大過程，而且還忽略了凝固組織取向的變化對力學(xué)性能帶來的影響。來自美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究表明，在凝固方向上，晶粒內(nèi)部存在一定的取向差，并且其取向差與成分偏析有關(guān)，這對增材制造的材料設(shè)計提供了一種思路。相關(guān)論文以題為“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”于2月15日發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂刊Acta Materialia。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645419307189

作者基于LENS增材制造技術(shù)制備樣品，利用基于飛秒激光TriBeam系統(tǒng)、FIB以及EBSD技術(shù)對樣品進行逐層掃描，獲得每一斷層的EBSD數(shù)據(jù)，再進行三維重構(gòu)，從而得到晶粒組織的三維形貌。利用K均值聚類算法，獲得晶粒的形核位置，以形核位置的取向為基準(zhǔn)，標(biāo)定晶粒在生長方向上的的取向差，并討論了三維晶粒形成的原因，發(fā)現(xiàn)隨著晶粒在熱梯度方向上的凝固，晶粒的最后凝固的部分具有最大的取向差；并結(jié)合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差與元素分布的存在對應(yīng)關(guān)系。

圖1 晶粒形貌與取向變化

圖2 聚類分析結(jié)果

圖3 元素分布于取向差的對應(yīng)關(guān)系

圖4 不同截面304不銹鋼EBSD組織圖

增材制造過程中形成的偏析是很難通過后續(xù)的熱處理消除了，而偏析對于材料的性能具有不利影響，如材料的耐腐蝕性能。材料中形成的局部取向差可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，這對材料的力學(xué)性能不利，進而降低材料的使用壽命。而通過調(diào)整增材制造工藝參數(shù)，控制材料的凝固過程可作為減小凝固形成的取向差的一種方法，提高材料壽命。同時，可根據(jù)傳統(tǒng)材料的成分，調(diào)整成分配比，減小凝固過程中低溫條件下的液相體積分?jǐn)?shù)，可減少偏析。這為增材制造的材料成分設(shè)計提供了一種思路。