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

來(lái)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(shì)，表征微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系仍然是這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)研究、有限元分析、和大規(guī)模的三維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬，以提供對(duì)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(jī)制的獨(dú)特理解。我們的研究結(jié)果表明，凝固胞壁位錯(cuò)滑移的中斷是形成胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的原因，突出了溶質(zhì)偏析對(duì)增材制造部件塑性變形的重要性。這項(xiàng)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(cè)增材制造零件的最終機(jī)械性能開辟了潛力。

為了克服傳統(tǒng)制造帶來(lái)的設(shè)計(jì)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(diǎn)到點(diǎn)和逐層構(gòu)建三維 (3D) 組件的技術(shù)一個(gè)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(duì)于組合的實(shí)驗(yàn)和模擬方法，會(huì)出現(xiàn)各種挑戰(zhàn)。首先，確定足以代表潛在 LPBF 過(guò)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(cuò)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(shí)驗(yàn)研究通過(guò)對(duì)誘導(dǎo)的瞬態(tài)熱機(jī)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(qiáng)，包括局部、空間變化的化學(xué)環(huán)境。

然而，人們對(duì)化學(xué)環(huán)境、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系知之甚少，這阻礙了對(duì) LPBF 制造零件的機(jī)械性能進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)和定制。隨著增材制造正在朝著新的制造范式發(fā)展，對(duì)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(cè)能力變得越來(lái)越必要。設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)是控制所需機(jī)械性能的一種方法，但是需要確定制造對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。LPBF 制造零件的位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的聯(lián)系只能通過(guò)在機(jī)械水平上根據(jù) LPBF 加工過(guò)程中的熱和化學(xué)環(huán)境對(duì)觀察到的微觀結(jié)構(gòu)演變提供可理解的解釋來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于特有的空間和時(shí)間過(guò)程機(jī)制，使用純實(shí)驗(yàn)方法限制了在原位跟蹤單個(gè)位錯(cuò)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(jìn)行解釋。

為了正確表示由 LPBF 過(guò)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(guó)約翰霍普金斯大學(xué)采用了一種集成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算引導(dǎo)的方法。三維 (3D) 離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué) (DDD) 模擬用于提供對(duì)凝固誘導(dǎo)的溶質(zhì)偏析對(duì)位錯(cuò)系演化的影響的獨(dú)特理解。通過(guò)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(cuò)可塑性之間的相互作用，我們捕獲了導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)形成的基本微觀結(jié)構(gòu)過(guò)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。

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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(cuò)壁圖的形成之間存在著一定的關(guān)系。雖然在快速冷卻過(guò)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(cuò)胞的形成，這與沒(méi)有凝固胞時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致，但這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與圖狀(100)排列的位錯(cuò)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(jī)械應(yīng)力的機(jī)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(cuò)壁的觀察是由偏析溶質(zhì)原子打斷位錯(cuò)滑移所驅(qū)動(dòng)的，導(dǎo)致在冷卻過(guò)程的后期階段增強(qiáng)了交叉滑移和位錯(cuò)相互作用。這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)觀察到的化學(xué)偏析域的細(xì)胞位錯(cuò)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(cuò)結(jié)構(gòu)。a - c中的彩色線顯示了第一個(gè)模擬步驟后的位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)，其中不同的顏色代表不同的滑移系統(tǒng)。灰色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(qǐng)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(shí)線白線表示，它界定了熔池。這-axis 對(duì)應(yīng)于激光掃描方向，而負(fù)-軸對(duì)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(duì)應(yīng)于顯示單個(gè)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(lái)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(guò)程中的溫度曲線和殘余應(yīng)力，如 FEM 模擬所預(yù)測(cè)的那樣。a，溫度的預(yù)測(cè) 3D 輪廓；和b，單道 LPBF 處理過(guò)程中的 von Mises 應(yīng)力分布。由于對(duì)稱性-方向，只顯示系統(tǒng)的一半。超過(guò) 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(cè)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(shí)間的函數(shù)，在c中用“*”表示的點(diǎn)處。這-axis 對(duì)應(yīng)于激光掃描方向，而負(fù)-軸對(duì)應(yīng)于激光束方向。（有關(guān)此圖例中顏色參考的解釋，請(qǐng)讀者參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 4。凝固后和冷卻過(guò)程中溫度相關(guān)的溶質(zhì)偏析引起位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成。預(yù)測(cè)的位錯(cuò)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(bǔ)充圖 S4）。這-,- 和-軸對(duì)應(yīng)于,和水晶方向。a , 2D 等高線圖顯示使用平均局部位錯(cuò)密度的自相關(guān)函數(shù)的幅度-方向（參見補(bǔ)充圖S5），其中僅考慮超過(guò)全體積平均密度15％以上的局部密度。b , 類似于a , 但對(duì)于沿-方向。

圖 5。細(xì)胞凝固對(duì)位錯(cuò)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(gè)晶粒中的位錯(cuò)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(cè)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，來(lái)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(cuò)密度相對(duì)于全體積平均密度沿-從包含凝固單元和未偏析域的位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)部分提取的方向。灰色虛線表示溶質(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(diǎn)。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(cuò)密度圖將未分離（底部）與分離（頂部）域隔離開來(lái)。

總之，本文通過(guò)對(duì)殘余應(yīng)力和胞狀凝固引起的位錯(cuò)組織來(lái)源的機(jī)理研究，為可靠地預(yù)測(cè)LPBF合金的力學(xué)性能提供了基礎(chǔ)。對(duì)殘余應(yīng)力和溶質(zhì)偏析之間相互作用的理解將使獨(dú)特的物理信息晶體塑性模擬的發(fā)展。例如，預(yù)測(cè)的胞狀位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)可以用來(lái)估計(jì)非均勻的內(nèi)應(yīng)力分布，從而為將胞狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(cuò)微觀結(jié)構(gòu)的演化本身可以用來(lái)提供基于位錯(cuò)的塑性連續(xù)體理論。因此，這項(xiàng)工作可以通過(guò)多尺度材料建�？蚣茉O(shè)計(jì)出具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型增材制造材料。