增材頂刊：揭示激光粉末床熔合金屬顯微組織形成過程中局部化學(xué)與塑性的相互作用

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：金屬部件的增材制造 (AM) 與傳統(tǒng)的粉末或熔化冶金制造工藝相比，具有許多優(yōu)勢，表征微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)系仍然是這項新技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一。我們結(jié)合了 AISI 316L 不銹鋼的單道激光粉末床熔合 (LPBF) 掃描的實驗研究、有限元分析、和大規(guī)模的三維離散位錯動力學(xué)模擬，以提供對導(dǎo)致在增材制造金屬中形成異質(zhì)缺陷結(jié)構(gòu)的潛在機制的獨特理解。我們的研究結(jié)果表明，凝固胞壁位錯滑移的中斷是形成胞狀位錯結(jié)構(gòu)的原因，突出了溶質(zhì)偏析對增材制造部件塑性變形的重要性。這項工作為異質(zhì)微結(jié)構(gòu)形成提供了視角，并為可靠預(yù)測增材制造零件的最終機械性能開辟了潛力。

為了克服傳統(tǒng)制造帶來的設(shè)計和靈活性限制，金屬部件的增材制造 (AM) 已經(jīng)發(fā)展成為一種直接從點到點和逐層構(gòu)建三維 (3D) 組件的技術(shù)一個數(shù)字模型。其中一種技術(shù)是激光粉末床融合 (LPBF)，它使用高能激光熔化和重新固化金屬粉末，以構(gòu)建具有高分辨率的復(fù)雜組件。對于組合的實驗和模擬方法，會出現(xiàn)各種挑戰(zhàn)。首先，確定足以代表潛在 LPBF 過程的基本物理量，其次，在涉及高溫、熱誘導(dǎo)殘余應(yīng)力和凝固誘導(dǎo)的具有挑戰(zhàn)性的熱和化學(xué)環(huán)境中以物理上有意義的方式捕獲位錯遷移率和相互作用合金原子的偏析。因此，316 SS 中單道 LPBF 掃描的實驗研究通過對誘導(dǎo)的瞬態(tài)熱機械應(yīng)力的宏觀有限元 (FEM) 分析和冷卻階段微觀結(jié)構(gòu)演變的 DDD 模擬得到增強，包括局部、空間變化的化學(xué)環(huán)境。

然而，人們對化學(xué)環(huán)境、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)系知之甚少，這阻礙了對 LPBF 制造零件的機械性能進行可靠的預(yù)測和定制。隨著增材制造正在朝著新的制造范式發(fā)展，對增材制造材料的工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能之間聯(lián)系的預(yù)測能力變得越來越必要。設(shè)計微觀結(jié)構(gòu)是控制所需機械性能的一種方法，但是需要確定制造對微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。LPBF 制造零件的位錯微觀結(jié)構(gòu)和機械性能之間的聯(lián)系只能通過在機械水平上根據(jù) LPBF 加工過程中的熱和化學(xué)環(huán)境對觀察到的微觀結(jié)構(gòu)演變提供可理解的解釋來實現(xiàn)。由于特有的空間和時間過程機制，使用純實驗方法限制了在原位跟蹤單個位錯水平上的微觀結(jié)構(gòu)演變的能力，因此通常需要事后方法進行解釋。

為了正確表示由 LPBF 過程的高度瞬態(tài)、多尺度、熱彈塑性性質(zhì)引起的固有復(fù)雜性，美國約翰霍普金斯大學(xué)采用了一種集成的實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動和計算引導(dǎo)的方法。三維 (3D) 離散位錯動力學(xué) (DDD) 模擬用于提供對凝固誘導(dǎo)的溶質(zhì)偏析對位錯系演化的影響的獨特理解。通過考慮在 AISI 316L SS 中單道 LPBF 掃描后冷卻階段局部化學(xué)和位錯可塑性之間的相互作用，我們捕獲了導(dǎo)致實驗無法獲得的位錯亞結(jié)構(gòu)形成的基本微觀結(jié)構(gòu)過程。相關(guān)研究成果以題“The interplay of local chemistry and plasticity in controlling microstructure formation during laser powder bed fusion of metals”發(fā)表在增材頂刊additive manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... S2214860422001932#!

研究結(jié)果表明，316L AISI不銹鋼LPBF凝固細(xì)胞壁中Mo、Cr等重元素胞狀偏析的存在與平行于(100)取向的位錯壁圖的形成之間存在著一定的關(guān)系。雖然在快速冷卻過程中，由于收縮的限制而產(chǎn)生的顯著殘余應(yīng)力導(dǎo)致了彌散位錯胞的形成，這與沒有凝固胞時的實驗觀察結(jié)果一致，但這些位錯結(jié)構(gòu)與圖狀(100)排列的位錯胞明顯不同。它們與凝固細(xì)胞一起形成，即使是在單一的LPBF軌道上。因此，可以得出結(jié)論，僅基于熱機械應(yīng)力的機制不能充分解釋在AISI 316L LPBF中觀察到的明確的胞狀結(jié)構(gòu)的形成。相反，從大規(guī)模3D DDD模擬中可以明顯看出，(100)排列的位錯壁的觀察是由偏析溶質(zhì)原子打斷位錯滑移所驅(qū)動的，導(dǎo)致在冷卻過程的后期階段增強了交叉滑移和位錯相互作用。這一結(jié)論與實驗觀察到的化學(xué)偏析域的細(xì)胞位錯結(jié)構(gòu)相一致。

圖 1。800 nm的3D DDD 模擬中凝固單元壁的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；和b , a 中 1600 nm 細(xì)胞壁間距103μ米3模擬體積，c，53μ米3具有 800 nm 細(xì)胞壁間距的 DDD 模擬，以及d，在體積的下半部分具有隔離壁的模擬的幾何形狀和初始位錯結(jié)構(gòu)。a - c中的彩色線顯示了第一個模擬步驟后的位錯微觀結(jié)構(gòu)，其中不同的顏色代表不同的滑移系統(tǒng)�；疑�平面示意性地表示溶質(zhì)分離壁的中心平面的位置。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 2。AISI 316L 不銹鋼單次掃描 LPBF 后同一晶粒內(nèi)不同亞結(jié)構(gòu)的形成。a , 靠近熔池邊界 (FZB) 的橫截面 (插圖) 的放大掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像，由實線白線表示，它界定了熔池。這-axis 對應(yīng)于激光掃描方向，而負(fù)-軸對應(yīng)于激光束方向。白色虛線表示晶界。b，電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF）圖，對應(yīng)于顯示單個晶粒中不同可見結(jié)構(gòu)跡線的結(jié)晶取向的SEM圖像。c，來自具有以下區(qū)域的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像-trace（頂部）和-跟蹤（底部）。

圖 3。單軌 LPBF 處理過程中的溫度曲線和殘余應(yīng)力，如 FEM 模擬所預(yù)測的那樣。a，溫度的預(yù)測 3D 輪廓；和b，單道 LPBF 處理過程中的 von Mises 應(yīng)力分布。由于對稱性-方向，只顯示系統(tǒng)的一半。超過 1700 K 的熔化溫度 （參見第 2.2節(jié)）的溫度顯示為黃色。c ， a中虛線所示截面上預(yù)測溫度的等高線。d，溫度、von Mises 應(yīng)力以及在掃描方向和法線方向上的應(yīng)力分量作為時間的函數(shù)，在c中用“*”表示的點處。這-axis 對應(yīng)于激光掃描方向，而負(fù)-軸對應(yīng)于激光束方向。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 4。凝固后和冷卻過程中溫度相關(guān)的溶質(zhì)偏析引起位錯結(jié)構(gòu)的形成。預(yù)測的位錯結(jié)構(gòu)的自相關(guān)函數(shù)米不同溫度下的 3D DDD 模擬（參見補充圖 S4）。這-,- 和-軸對應(yīng)于,和水晶方向。a , 2D 等高線圖顯示使用平均局部位錯密度的自相關(guān)函數(shù)的幅度-方向（參見補充圖S5），其中僅考慮超過全體積平均密度15％以上的局部密度。b , 類似于a , 但對于沿-方向。

圖 5。細(xì)胞凝固對位錯結(jié)構(gòu)排列的影響。

圖 6。具有蜂窩狀和非蜂窩狀凝固結(jié)構(gòu)的單個晶粒中的位錯結(jié)構(gòu)排列。a，低（上）和高（下）分辨率的顆粒的 EBSD-IPF 圖，兩者都有和型表面結(jié)構(gòu)（也參見圖2）。b 700 K 后預(yù)測的位錯結(jié)構(gòu)，來自 3D DDD 模擬，模擬如圖所示的晶粒的晶體取向。以黑色表示的平面示意性地表示分離域和未分離域之間的分離。c , 平均局部位錯密度相對于全體積平均密度沿-從包含凝固單元和未偏析域的位錯微觀結(jié)構(gòu)部分提取的方向�；疑�虛線表示溶質(zhì)偏析壁的中心平面沿-方向和黑線表示分離分離域和分離域的平面的交點。d，二維等高線圖顯示了自相關(guān)函數(shù)的幅度，使用c中的位錯密度圖將未分離（底部）與分離（頂部）域隔離開來。

總之，本文通過對殘余應(yīng)力和胞狀凝固引起的位錯組織來源的機理研究，為可靠地預(yù)測LPBF合金的力學(xué)性能提供了基礎(chǔ)。對殘余應(yīng)力和溶質(zhì)偏析之間相互作用的理解將使獨特的物理信息晶體塑性模擬的發(fā)展。例如，預(yù)測的胞狀位錯微觀結(jié)構(gòu)可以用來估計非均勻的內(nèi)應(yīng)力分布，從而為將胞狀結(jié)構(gòu)的強化效應(yīng)納入連續(xù)尺度模型提供了更多的物理基礎(chǔ)。此外，位錯微觀結(jié)構(gòu)的演化本身可以用來提供基于位錯的塑性連續(xù)體理論。因此，這項工作可以通過多尺度材料建�？蚣茉O(shè)計出具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型增材制造材料。