南科大《Acta Materialia》：新機制！增材制造復合材料的晶界工程

來源：材料科學與工程

晶界工程（GBE）是一種熱加工策略，旨在通過在微結構中添加特殊類型的晶界，如孿晶界，來提高多晶金屬的物理力學性能。通過控制這些微觀結構的分布和排列，可以賦予其獨特的力學行為或結合整體材料中相互排斥的性能。傳統(tǒng)的GBE通過變形和退火來調節(jié)和控制晶界。然而，在使用的熱處理過程中，大量的粗孿晶會導致胞狀結構丟失，力學性能急劇下降，這可能會影響材料的性能。在磁控濺射制備的Al層中發(fā)現(xiàn)了大量的納米孿晶和9R相，并表現(xiàn)出較強的厚度依賴性。該薄膜材料具有大量的納米孿晶和晶界工程中特殊晶界比例高，從而產生機械強化效應。因此，在不變形或者退火的條件下，如何提高特殊晶界比例，一直是金屬材料領域的一個熱點問題。

近日，南方科技大學高性能材料增材制造重點實驗室白家鳴教授團隊，他們提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米顆粒和LPBF增材制造工藝來制備具有納米孿晶強化效應和特殊晶界比例高的TiC/316L不銹鋼復合材料。相關論文以題為“Grain boundary engineering during the laser powderbed fusion of TiC/316L stainless steel composites: New mechanism for forming TiC-induced special grain boundaries”發(fā)表在金屬材料頂刊Acta Materialia上。李婧博士為論文第一作者，屈紅橋博士為論文共同第一作者，白家鳴教授為唯一通訊作者。該工作獲得了深圳市孔雀團隊項目、深圳市科技創(chuàng)新項目、南方科技大學測試中心的資助與支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117605

該研究展示了一種基于TiC/316L不銹鋼(TiC/316LSS)復合材料設計的激光粉末床熔合(LPBF)過程中控制具有特殊晶界和納米孿晶的復合材料微結構的新加工方案。此外，還提出了一種微觀機理。LPBF熱循環(huán)過程中產生的殘余應力導致非晶態(tài)TiC界面的梯度元素偏析產生了較低的層錯能(SFE)， 9R在低SFE的TiC界面形成并向納米孿晶轉變。非共格孿晶界的遷移再生了高比例的特殊晶界。在機理分析的基礎上，通過優(yōu)化激光功率、掃描速度和縫隙間距，解釋了TiC納米顆粒團聚、晶粒細化和組織中特殊晶界的演變過程。結果表明，經熱機械處理后的TiC/316LSS復合材料具有明顯改善的性能，包括局部殘余應力降低和晶粒細化，明顯優(yōu)于常規(guī)熱機械處理后的316LSS復合材料。復合材料具有較高比例的特殊晶界和納米孿晶，它們通過LPBF過程中產生的超細位錯胞結構保持壁強化。在增材制造中，通過對工藝參數的可預見性調整來實現(xiàn)微結構控制。因此，通過優(yōu)化LPBF參數和偏析誘導設計，增材制造晶界工程(AM-GBE)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />

摘要圖

圖1 成形過程示意圖以及工藝參數

圖2 TiC團聚顆粒附近的晶界結構。（a）TKD結果：IPF、KAM、GOS、CSL晶界分布圖，標記1-4顯示在孿晶和基體中；（b）模擬結果顯示了對應于晶界位置i和ii的SAED模式；（c）雙變異體在暗視野形態(tài)中的分布；SAED圖形分別對應于納米晶的（d）∑3和（e）∑9晶界

圖3 TKD結果分別顯示了（a）#5-TiC/316LSS復合材料和（b）#23-TiC/316LSS復合材料的STEM、BSE、IPF和CSL晶界分布圖。STEM圖像顯示（c）細長的納米晶（d）寬的納米晶（e）復合材料中擴散的9R形態(tài)。對應于這些位置的SAED模式提供了具有取向關系的基體、孿晶和9R的晶體學信息

圖4（a）9R的晶體結構與基體 → 9R→孿晶轉變（b）HRTEM圖像顯示ITB通過矩陣變換的Shockley部分滑動遷移基體 → 9R→孿晶轉變。

圖5（a）在LPBF熱循環(huán)過程中，TiC納米顆粒誘導孿晶生長與動態(tài)再結晶（DRX）相關。沿[101]軸區(qū)域（b）HRTEM圖像顯示TiC納米顆粒和基體界面處的不連續(xù)扭曲9R；（c）HRTEM圖像分別顯示未變形部分的完全和不完全9R結構分別形成ITB和CTB。

LPBF工藝參數對AM-GBE處理中特殊晶界的比例有可預測的影響。本文總結了特殊晶界的演化機制。激光能量密度的增加降低了生長9R。掃描間距的減小導致脫孿生和9R轉變?yōu)橥耆�位錯，并降低了特殊晶界的比例。此外，LPBF工藝參數也會影響復合材料的激光加工質量，是開發(fā)人員研究中必須考慮的問題。在本研究中，我們采用增材制造晶界工程(AM-GBE)微結構設計了TiC納米顆粒誘導的顯微偏析，該微結構通過可預測的工藝參數來控制。由此獲得了納米孿晶和特殊的晶界結構，揭示了AM-GBE的巨大潛力。