綜述：金屬增材制造—微觀結(jié)構(gòu)演變與多階段控制（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

來自深圳大學(xué)的學(xué)者及其合作者發(fā)表了綜述：重點提出了一種金屬增材制造的綜合加工圖； 在熔池凝固過程中和之后，增材制造的微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展；分析了多尺度微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，并提出了微觀結(jié)構(gòu)的控制方法。本文為第一部分。

綜述全文摘要：
增材制造作為一種創(chuàng)新的工業(yè)技術(shù)，通過逐層添加材料來制造物體，因此可以以前所未有的自由度制造特定的零件。對于金屬材料，在增材制造過程中構(gòu)建了一種獨(dú)特的分層微觀結(jié)構(gòu)，使其具有許多優(yōu)良的性能。為了充分利用增材制造，需要對微觀結(jié)構(gòu)的演化機(jī)制進(jìn)行深入的了解。為此，本文探討了增材制造的基本步驟，即熔池的形成和粘合。提出了一種將熔池能量和幾何相關(guān)過程參數(shù)集成在一起的綜合加工圖。在此基礎(chǔ)上，在成分熔池凝固過程中和凝固后，開發(fā)出增材制造的微觀結(jié)構(gòu)。凝固結(jié)構(gòu)由沿晶界形成的初級柱狀顆粒和細(xì)小的二級相組成。凝固后的結(jié)構(gòu)包括由內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的亞微米級位錯胞和在相鄰熔池循環(huán)加熱過程中由本征熱處理引起的納米級沉淀。在凝固和位錯理論的基礎(chǔ)上，對多階段微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了深入的分析，并提出了多尺度的控制方法。此外，還簡要討論了潛在的原子尺度結(jié)構(gòu)特征。此外，通過調(diào)整工藝參數(shù)和合金成分，解決了增材制造的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)該技術(shù)的巨大潛力。本文綜述不僅建立了一個堅實的微觀結(jié)構(gòu)框架，而且為通過增材制造生產(chǎn)的金屬材料的機(jī)械性能調(diào)整提供了有前途的指導(dǎo)意見。

▲圖0 全文的graphic abstract

1. 引言
增材制造是一種顛覆性技術(shù)，可根據(jù)數(shù)字模型直接逐層打印三維（3D）組件。與鑄造、鍛造和機(jī)加工等傳統(tǒng)制造方法完全不同，增材制造是一種近凈成型制造工藝，可以顯著提高設(shè)計自由度并縮短生產(chǎn)時間。因此，在即將到來的工業(yè)4.0時代，增材制造為智能制造提供了巨大的機(jī)遇。此外，增材制造是一類通用、靈活且高度可定制的生產(chǎn)技術(shù)，適用于制造各種材料，包括金屬、陶瓷和聚合物。對于金屬材料，激光或電子束通常在類似于焊接的增材制造過程中用作高強(qiáng)度熱源，其中金屬粉末被加熱到熔融狀態(tài)以形成基本的構(gòu)建單元——熔池。因此，這種類型的增材制造技術(shù)被歸類為基于熔合的增材制造。熔池的形成和隨后的結(jié)合是基于熔合的增材制造過程中的兩個基本物理過程。相比之下，增材制造也可以在固態(tài)下進(jìn)行，這在很大程度上依賴于金屬粉末顆粒的動能而不是熱能。然而，由于固態(tài)鍵合的局限性，固態(tài)增材制造大多僅限于延展性材料。

在基于熔合的增材制造中，一旦受到高能束的轟擊，金屬粉末的局部溫度會瞬間飆升至熔點以上，在短時間內(nèi)形成微尺度熔池。隨后，熱源快速掃描到下一個位置，熔池在先前沉積的制冷基板的影響下迅速凝固。因此，在增材制造過程中可以實現(xiàn)高達(dá)10exp（7） K/s的陡峭溫度梯度和10exp（7） K/m的高冷卻速率。當(dāng)與熔池熔合過程中發(fā)生的復(fù)雜流體動力學(xué)相結(jié)合時，由于氣體滯留或未熔合而經(jīng)常出現(xiàn)孔隙。因此，良好的金屬元件的增材制造的加工窗口異常狹窄。在這個狹小的空間中，構(gòu)建了從微米級柱狀晶粒和亞微米級位錯單元到納米級沉淀物的分級微觀結(jié)構(gòu)，賦予金屬材料許多優(yōu)異的機(jī)械性能。與缺陷消除相比，實現(xiàn)精確的微觀結(jié)構(gòu)控制相對更具挑戰(zhàn)性，為此迫切需要全面了解微觀結(jié)構(gòu)的演變。

鑒于存在廣泛的增材制造方法和系統(tǒng)，增材制造金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)受到大量工藝參數(shù)的影響。其中，熱源功率、束斑尺寸、掃描速度、艙口間距和層厚是最常研究的。因為即使是最少量的殘余孔隙也會嚴(yán)重降低最終金屬零件的機(jī)械性能，所以實現(xiàn)全密度是增材制造最理想的結(jié)果之一。目前的研究大多采用體積能量密度（VED）作為指導(dǎo)因素，即單位體積粉末能量的沉積量，VED=P/vhδ；其中P、v、h和 δ 分別是光束功率、掃描速度、窗口間距和粉末厚度。在低VED下，未熔化的顆粒留在熔池底部，導(dǎo)致以不規(guī)則小面孔為特征的未熔合缺陷。相反，當(dāng)VED過高時，熔池內(nèi)的溫度超過金屬的沸點，導(dǎo)致材料蒸發(fā)。因此，球形孔被困在部件中。致密金屬部件只能在中間VED 范圍內(nèi)制造，在該范圍內(nèi)形成足夠大和穩(wěn)定的熔池。盡管VED已被廣泛且成功地采用，但它有許多局限性。它不能正確表示傳遞到熔池的有效能量，因為在VED方程中完全忽略了熱束的焦點直徑和熔池的幾何信息。此外，復(fù)雜的熱歷史是最終微觀結(jié)構(gòu)的主要影響因素，尚未考慮在內(nèi)。因此，增材制造的微觀結(jié)構(gòu)控制指南仍然缺失。

在3D金屬部件的構(gòu)建過程中，每一層的沉積過程中都會發(fā)生重復(fù)的熱循環(huán)、局部微觀結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷復(fù)雜的熱效應(yīng)。因此，復(fù)雜的熱歷史導(dǎo)致了多尺度微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。本質(zhì)上，增材制造是一個多尺度問題，材料會在短時間內(nèi)發(fā)生局部的轉(zhuǎn)換。在小熔池中難以進(jìn)行實時實驗觀察，已經(jīng)進(jìn)行了許多模擬和建模研究來提取原位熱量和質(zhì)量信息。一般來說，增材制造的熱條件促進(jìn)柱狀晶粒的外延生長，其中 <100> 晶體取向是立方金屬的有利方向。在熱膨脹和收縮過程中，來自建造基材的約束會導(dǎo)致高殘余應(yīng)力和金屬元件中產(chǎn)生的高密度位錯。重復(fù)加熱和淬火還會在先前沉積的層中產(chǎn)生固有的熱處理效果，并且在某些情況下會發(fā)生固態(tài)沉淀反應(yīng)。確定溫度梯度和冷卻速率是影響最終微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵熱力學(xué)因素。然而，熔池中的溫度場分布會導(dǎo)致這些因素發(fā)生重大變化。因此，在增材制造的金屬中形成的微觀結(jié)構(gòu)因部位而異，這在大多數(shù)情況下難以理解。

分層微觀結(jié)構(gòu)有助于增材制造金屬材料具有優(yōu)越的機(jī)械性能。原則上，強(qiáng)化機(jī)制可以用一個簡單的方程表示：σy = σ0 + Δσgb + Δσdis + Δσprec，

其中 σ0、Δσgb、Δσdis 和 Δσprec 分別代表晶格摩擦、晶界、位錯和沉積物的屈服應(yīng)力貢獻(xiàn)。增材制造工藝參數(shù)的便利調(diào)節(jié)為精確控制微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)地調(diào)整機(jī)械性能提供了前所未有的機(jī)會。需要系統(tǒng)推理來構(gòu)建增材制造過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的堅實基礎(chǔ)。在本文綜述中，首先修訂了增材制造的加工圖。將熔池形成的能量項和熔池結(jié)合的幾何項整合在一起，構(gòu)建了一個綜合的加工圖。相應(yīng)地，打印金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)可分為凝固和凝固后的結(jié)構(gòu)，它們在不同階段形成。而且還解決了在快速冷卻過程中凝固的潛在原子級微觀結(jié)構(gòu)特征。此外，還討論了為增材制造設(shè)計的特定地點的微觀結(jié)構(gòu)和合金成分，以充分探索增材制造技術(shù)的潛力。

2. 增材制造加工圖
2.1 不同的增材制造方法
雖然有許多不同的增材制造技術(shù)，但本文重點介紹基于熔合的增材制造，它利用高能量密度光束，包括激光、電子束或電弧，作為熱源。與金屬的間接和固態(tài)增材制造方法（如粘合劑噴射、熔絲制造、冷噴涂增材制造和超聲波增材制造）相比，基于熔合的增材制造會產(chǎn)生更復(fù)雜的熱歷史，因此生產(chǎn)出來的部件具有更好的性能。因此，它在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域引起了更多關(guān)注，以下為簡單起見將其稱為增材制造。通常，這些技術(shù)可分為粉末床熔合（PBF）和定向能量沉積（DED），如圖1所示。PBF 為使用激光或電子束在預(yù)先鋪設(shè)的粉末床中逐層熔化和燒結(jié)金屬粉末（圖1（a））；這包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM）。在DED中，金屬粉末或金屬絲被同軸送入高能束（激光或電�。┲�，以在基板上連續(xù)形成熔化層（圖 1（b））。激光工程凈成形（LENS）和電弧增材制造（WAAM）是兩種典型的DED方法。這些增材制造技術(shù)的不同程序為它們提供了不同的特性。例如，SLM具有較小的光斑尺寸，因此可以創(chuàng)建精度更高的金屬部件。EBM配備了高性能加熱平臺，可以大大減少殘余應(yīng)力積累。LENS 更適合混合材料打印，因為它的多噴嘴設(shè)計。WAAM具有更高的沉積速率，并且能夠制造大型組件 。此外，不同增材制造方法之間的熱條件差異很大，與其他方法相比，由于WAAM的熔池尺寸較大，因此表現(xiàn)出相對較緩的溫度梯度，約為10exp（2） K/s 。

▲圖1 兩種主要類型的增材制造示意圖：（a）粉末床熔合（PBF）和（b）定向能量沉積（DED）。

不同增材制造技術(shù)的眾多工藝變量為調(diào)整打印金屬材料的特性提供了巨大的機(jī)會。因為加工參數(shù)會影響熔池中熔融金屬的流動動力學(xué)、傳熱和凝固特性，從而導(dǎo)致晶粒尺寸、形態(tài)和織構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化。必須首先建立工藝參數(shù)和獲得的微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。為此，將在下一節(jié)中開發(fā)和討論一個全面的加工圖。

2.2 連續(xù)和非連續(xù)的工藝參數(shù)
在增材制造過程中，金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)很容易受到各種工藝參數(shù)的影響。這些參數(shù)可以根據(jù)它們的動作時間大致分為兩類，連續(xù)參數(shù)和不連續(xù)參數(shù)。連續(xù)參數(shù)負(fù)責(zé)金屬粉末的連續(xù)逐點選擇性熔化，并在打印過程中提供連續(xù)的能量輸入；它們包括光束功率、掃描速度和光束直徑。在增材制造的掃描操作過程中，不同沉積軌跡和層之間存在間隔時間；間隔時間取決于試樣大小和掃描模式，范圍為0.1到100 s。因此，與軌跡和層相關(guān)的參數(shù)，如窗口間距、層厚和掃描策略，可以看作是不連續(xù)的參數(shù)。不連續(xù)的工藝參數(shù)確保以間歇方式構(gòu)建最終的3D元件。換句話說，連續(xù)的工藝參數(shù)與通過高能量輸入形成熔池的每條軌跡有關(guān)；因此，它們也可以被視為能量因素。不連續(xù)參數(shù)主要負(fù)責(zé)不同軌跡中相鄰熔池的幾何重疊；因此，它們可以被視為幾何因素。要打印出無缺陷的完好部件，不僅需要在暴露于高強(qiáng)度熱源時產(chǎn)生穩(wěn)定的熔池，還需要相鄰熔池之間適當(dāng)?shù)南嗷プ饔谩?br />
2.3 結(jié)合能量和幾何因素的加工圖
熔池作為增材制造的基本建造塊，如圖2（a）所示，通過對相鄰軌跡的部分重熔，這些熔池的重疊將這些塊綁定在一起，并構(gòu)建最終的3D對象。將連續(xù)（能量）和不連續(xù)（幾何）因素整合在一起，構(gòu)建了一個綜合加工圖，如圖2（b）所示�？v軸表示無量綱能量E*，它綜合了光束特征和材料特性。需要注意的是，在相對較低的功率或較高的掃描速度下，能量輸入不足以完全熔化金屬粉末，產(chǎn)生不連續(xù)的熔池。在這種情況下，會產(chǎn)生因未融合而導(dǎo)致的缺陷（圖 2（b））。當(dāng)光束功率過高或掃描速度過慢時，過多的能量注入金屬粉末；可以達(dá)到物料的沸騰溫度。金屬被汽化，氣體由于局部凹陷而被截留形成球形孔，類似于高VED因子。只有在傳導(dǎo)模式相對穩(wěn)定的中能區(qū)才能獲得良好的熔池。

除了形成的穩(wěn)定熔池，良好的結(jié)合是確定印刷零件最終質(zhì)量的另一個關(guān)鍵先決條件。為表示相鄰熔池的幾何重疊程度，以幾何結(jié)合因子為指標(biāo)，如圖 2（a）所示。熔池形狀近似為半圓為宜；因此，。熔池寬度可以使用Rosenthal模型[64]，，或直接通過實驗測量；ρ和Cp分別是材料的密度和比熱。較大的 Ψ 表明在連續(xù)沉積過程中，較大比例的單個熔池被重熔。只有當(dāng) Ψ ≥1 時，才能打印致密的金屬樣品；否則，就會引入缺乏約束力的缺陷。

▲圖2（a）增材制造過程中熔池的形成和結(jié)合示意圖。（b）集成了能量和幾何術(shù)語的增材制造加工圖。請注意，和分別對應(yīng)于將金屬粉末加熱到其熔化溫度和沸騰溫度所需的能量。

將能量和幾何術(shù)語整合到新的加工圖中，大致可以分為四個區(qū)域：I. 缺乏結(jié)合，II. 缺乏熔合，II. 流程窗口和 IV. 鑰孔形成。通過在工藝窗口區(qū)域（III） 中完全熔化和充分結(jié)合穩(wěn)定的熔池，可以建造致密的金屬部件。由于能量輸入不足，熔池溫度低，流動性弱，出現(xiàn)球化現(xiàn)象。即使當(dāng)能量密度足夠高以熔化連續(xù)軌道時，由大艙口間距或大層厚度引起的小重疊仍然會導(dǎo)致缺乏結(jié)合缺陷。根據(jù)綜合加工圖，能源只是提供穩(wěn)定熔池的前提；熔池的幾何重疊是構(gòu)建致密金屬部件的另一個必要條件。請注意，加工圖的四個區(qū)域之間的邊界是通過簡單的物理推理提出的；實際上，它們應(yīng)該被視為不確定區(qū)域，而不是尖銳的邊界。基于這張增材制造的綜合加工圖，最佳工藝窗口從VED的最大密度點顯著擴(kuò)展到二維區(qū)域，并且可以克服VED的局限性。由幾何重疊引起的復(fù)雜熱歷史自然發(fā)生在橫坐標(biāo)上，并且可以通過調(diào)整增材制造過程中的重疊度來輕松定制本征熱處理。

在之前的研究中，一些研究人員采用熔池幾何形狀來預(yù)測增材制造的打印質(zhì)量。唐等人，提出了由相對艙口間距（h/d）和相對層厚度（δ/w）構(gòu)建的加工圖來預(yù)測未熔合孔隙度，其中d表示熔池深度，等于熔池寬度的一半。對于足夠的熔池重疊，橫向相鄰熔池之間的重疊深度 l* 不得大于用于零件打印的層厚度。巴賈吉等人，采用歸一化艙口間距rb/h作為幾何因子，結(jié)合歸一化能量構(gòu)建歸一化加工圖。他們還確定了一個寬的工藝窗口，具有能量輸入和熔池重疊的中間值，以實現(xiàn)最小的孔隙率。此外，新的綜合加工圖可以在打印前提供有關(guān)打印微觀結(jié)構(gòu)的信息。托馬斯等人，發(fā)現(xiàn)大重疊和能量輸入的組合導(dǎo)致由 EBM 制造的 Ti-6Al-V 合金中相對粗糙的 β 結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過在基于能量幾何的加工圖中仔細(xì)選擇工藝參數(shù)，可以控制孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)。

從綜合加工圖中，可以明顯看出金屬部件增材制造的兩個基本物理步驟：單個熔池的形成和隨后多個熔池的結(jié)合。這些步驟建立了制造的基本熱歷史，從而通過增材制造過程中的凝固和循環(huán)熱效應(yīng)確定印刷金屬的最終微觀結(jié)構(gòu)。沿著這個思路，金屬材料的增材制造微觀結(jié)構(gòu)可以看作是在不同制造階段形成的結(jié)構(gòu)，即凝固和凝固后的微觀結(jié)構(gòu)。

3. 凝固微觀結(jié)構(gòu)
原則上，增材制造微觀結(jié)構(gòu)的主要部分是由熔池凝固階段的晶粒成核和生長形成的。眾所周知，凝固過程中熱量和溶質(zhì)的傳遞在決定最終晶粒尺寸和形態(tài)方面起著主導(dǎo)作用。高度聚焦的光束和大的掃描速度使熔池具有較小的尺寸，從而導(dǎo)致具有陡峭溫度梯度和快速凝固速度的凝固條件。因此，打印金屬材料的顯著微觀結(jié)構(gòu)特征是由熔池邊界的晶體外延生長形成的柱狀晶粒。這些柱狀晶粒的直徑通常為幾微米到幾十微米，如圖3（a）所示。由于柱狀晶是在初始凝固階段形成的，可以看作是初級凝固結(jié)構(gòu)。此外，盡管在增材制造過程中通過快速冷卻抑制了微觀偏析，但在某些情況下，溶質(zhì)重新分布仍然可以發(fā)揮作用。二級相可以在柱狀晶粒之間的枝晶間區(qū)域沉淀，例如在通過增材制造制造的鋁和鎳合金中。這些富含溶質(zhì)的沉淀物可視為二次凝固結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。初級柱狀顆粒和二次沉淀物主要受輸入能量的影響，即圖2（b）綜合加工圖中的能量項。只有當(dāng)熔化發(fā)生時，凝固微觀結(jié)構(gòu)才會打印到金屬上，如圖3（e）中復(fù)雜的熱歷史所示。

▲圖3 通過增材制造制造的金屬的微觀結(jié)構(gòu)演變。凝固結(jié)構(gòu)包括（a）初級柱狀晶粒和（b）沿柱狀晶界稀疏分布的次級相。固化后結(jié)構(gòu)包括（c）位錯單元和（d）基質(zhì)中的納米沉淀物。（e）復(fù)雜的熱歷史有助于在增材制造過程中形成多級微觀結(jié)構(gòu)。

▲圖3-1  在每一718 高溫合金樣品進(jìn)行增材制造時，高溫合金718的δ相在枝晶間區(qū)域析出 ((a), (b), (c))，樣品的沉積態(tài)和熱處理之后同鑄造狀態(tài)和變形狀態(tài)樣品的拉伸強(qiáng)度的對比（d），然而，平行的樣品呈現(xiàn)出的韌性同垂直的樣品相比較，在 650 °C的時候只有四分之一（e）；同時發(fā)現(xiàn)，未期待的枝晶間 δ相將會提供在拉伸測試時初始的裂紋萌生源和擴(kuò)展源

▲圖3-2增材制造鋁合金Al-Sc-Zr時熱穩(wěn)定的芯殼納米析出相的控制

▲圖3-3 添加晶格匹配的納米顆粒到高強(qiáng)Al合金中來代替細(xì)長的等軸晶和避免產(chǎn)生裂紋

3.1 微尺度的初生柱狀結(jié)構(gòu)

基于經(jīng)典凝固理論，對于給定合金，初級晶粒的微觀結(jié)構(gòu)主要由熔池中的局部凝固條件決定，包括溫度梯度G和凝固速率V。G/V系數(shù)控制這凝固模式，其產(chǎn)物冷卻速率控制著凝固微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模。如圖4（a）所示，隨著熱量被傳熱到固體基底上，凝固從先前沉積的基底定向進(jìn)行到熔融液體。異相成核存在可忽略的成核障礙；因此，晶粒生長現(xiàn)象決定了大部分最終的微觀結(jié)構(gòu)。在晶粒生長過程中，溶質(zhì)原子被排斥到液體中并在固液界面前形成溶質(zhì)積累層（圖4（b）），根據(jù)圖4（c）中的相圖，這會擴(kuò)大凍結(jié)范圍。因此，由于微觀偏析（圖4（d）），會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)過冷。生長過程中固液界面的結(jié)構(gòu)過冷和形態(tài)穩(wěn)定性共同作用，對最終的快速凝固微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。

3.1.1 初級柱狀顆粒的大小
在增材制造過程中，金屬粉末的局部加熱會導(dǎo)致熔池中心的峰值溫度很高；因此，在熔池邊界附近形成了一個陡峭的溫度梯度。由于功率的熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的固體材料，因此熔體內(nèi)的熱量主要通過先前構(gòu)建的層消散，從而導(dǎo)致制造方向上的溫度梯度。此外，當(dāng)高能光束掃過時，小熔池中的凝固立即開始。由于陡峭的溫度梯度和高凝固速率，預(yù)計柱狀晶粒在增材制造的微觀結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，如圖4（e）所示。柱狀晶粒的特征尺寸，即柱狀間距，根據(jù)凝固條件的不同而不同。與傳統(tǒng)鑄造相比，亞穩(wěn)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)表明增材制造過程中存在非平衡凝固過程，其中熱場除擴(kuò)散場外也起著重要作用。在這種情況下，枝晶尖端形態(tài)可能發(fā)生變化，應(yīng)考慮液固界面穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。基于測試良好的 Kurz-Fisher模型，表明晶粒尺寸與凝固速率、溫度梯度和冷卻速率成反比。在高能束快速掃描過程中，凝固速率V通過掃描方向與熔池邊界的傾角θ與掃描速度有關(guān)，V= v·cosθ。增材制造的掃描速度通常大于10exp（-1） m/s，所以，快速凝固條件在制造過程中占主導(dǎo)地位。因此，通過增材制造制造完全等軸晶粒具有挑戰(zhàn)性。

▲圖4 （a）快速凝固過程中固液界面柱狀和等軸晶粒生長示意圖。（b）由于溶質(zhì)在液體和固體中的溶解度不同，導(dǎo)致固液界面前的溶質(zhì)分離。（c）典型相圖的一部分，表示結(jié)構(gòu)過冷。（d）固液界面前端溶質(zhì)偏析引起的結(jié)構(gòu)過冷。（e）表示增材制造的柱狀到等軸轉(zhuǎn)換的示意圖。

▲圖4-1孕育顆粒對不同鈦合金的晶粒形成的影響

▲圖4-2 柱狀晶向等軸晶的過渡轉(zhuǎn)變也許會發(fā)生G和V的變化時在層層之間發(fā)生。最有利于等軸晶的最優(yōu)凝固狀態(tài)發(fā)生在每一層的最上方。這一研究是Zheng等人在LMD工藝制造Ti-2Al-7Mo合金的時候觀察到的CET。

大量研究表明，增材制造金屬的柱狀微觀結(jié)構(gòu)主要受熔池實時熱場的控制，而熔池的實時熱場受增材制造過程中激光功率和掃描速度的影響。由于復(fù)雜的熱條件，工藝參數(shù)和凝固因素之間的定量關(guān)系仍然不存在。使用分析模型揭示了一些一般趨勢。例如，由于熔池的液體壽命較短和單位時間的能量輸入較低，凝固和冷卻速率隨著掃描速度的增加而增加。對于恒定的掃描速度，由于熔池的峰值溫度較低和液體壽命顯著延長，溫度梯度減小，冷卻速率隨著激光功率的降低而增加�；�于這些發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)進(jìn)行了一些研究來調(diào)整柱狀晶粒的大小。例如，Spierings等人，發(fā)現(xiàn)掃描速度的增加導(dǎo)致晶粒尺寸分布向更小的晶粒移動，這是在高掃描速度下獲得更高冷卻速率的結(jié)果。Wang等人，表明由于較高的溫度和熔池過冷程度的降低，平均初級枝晶間距隨著掃描速度的降低而增加。Priya等人，證明較高的激光功率和較低的掃描速度會導(dǎo)致更粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，這歸因于整個熔池深度的凝固時間變化較小；這意味著熔池中的冷卻速度較低。對于不同的增材制造技術(shù)，典型的冷卻速度有所不同；SLM大約為10exp（6）K/s，高于LENS（10exp（5）K/s）、EBM（10exp（4）K/s）和WAAM（10exp（2）K/s）。因此，SLM可以在最終的金屬元件中產(chǎn)生更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4（e）所示。

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文章來源：Additive manufacturing of metals:Microstructure evolution and multistage control,Journal of Materials Science & Technology,Available online 30 July 2021,https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.011

參考資料：
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