金屬和陶瓷粉末床熔煉增材制造中各向異性結晶織構的控制——綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


導讀：據悉，本文討論了近年來在紋理演化機制和控制方法方面的研究進展，重點介紹了選擇性激光熔煉技術。

增材制造（AM）可以生產復雜的網狀幾何圖形。此外，在受到較少關注的金屬和陶瓷AM中，可以通過選擇適當的工藝參數來任意控制產品的微觀結構和紋理，從而實現(xiàn)前所未有的優(yōu)異性能。本文討論了近年來在紋理演化機制和控制方法方面的研究進展，重點介紹了選擇性激光熔煉技術。AM的獨特特性之一是，通過控制掃描策略，紋理可以隨著產品內部位置的變化而變化。討論了紋理的瞬態(tài)行為以及通過掃描策略控制紋理的因素。此外，還討論了面心立方和體心立方以及非立方材料的織構演化行為。描述了擇優(yōu)晶體生長方向的晶體學“多重性”的重要性，以了解此類材料中織構的演變行為。

介紹
近年來，增材制造（AM）在重要制造過程中的應用引起了廣泛關注。AM最顯著的優(yōu)點是，它允許生產復雜的凈形狀幾何形狀，而這些幾何形狀是使用標準制造技術（如鑄造或成型）無法實現(xiàn)的。因此，AM已被應用于制造各種產品，包括空心結構、三維復雜多孔體和定制開發(fā)的產品。此外，在某些情況下，AM已與拓撲優(yōu)化相結合。

通過AM生產的具有復雜幾何形狀的金屬零件。

金屬AM的另一個顯著特點是對微觀結構和織構的廣泛控制，與形狀控制相比，這一特點受到的關注較少。特別是織構控制，即晶體取向控制，除了強度、延性、楊氏模量、耐磨性等力學性能，以及磁性、耐腐蝕性等其他功能性能外，是控制材料性能的最重要因素之一。因此，精確的晶體定向控制可以導致前所未有的優(yōu)越性能。

控制織構有兩種策略：隨機多晶化以獲得各向同性特性，和合成單晶或強織構取向材料以獲得各向異性特性。粉末床熔融處理廣泛用于金屬AM。有兩種方法，使用激光或電子束作為熱源。這些過去稱為選擇性激光熔煉（SLM）和電子束熔煉（EBM），但目前分別稱為激光束粉末床熔煉（L-PBF）和電子注粉末床熔合（EB-PBF）。關于紋理控制，AM期間紋理的形成已有十多年的報道，但其有意控制尚未充分研究，特別是在EB-PBF中。相反，最近，在L-PBF中有意自由控制紋理的策略已成為一個熱門話題。因此，近年來，有意識地使用紋理在產品中引入新的、優(yōu)越的功能已變得流行起來。

激光選區(qū)融化成形。

L-PBF工藝參數對織構的影響

眾所周知，面心立方（fcc）和體心立方（bcc）金屬凝固過程中柱狀細胞的優(yōu)先生長方向通常平行于<100>。關于金屬粉末床熔合型AM的熔池中的凝固過程，如果外延生長的影響可以忽略不計，柱狀細胞傾向于平行于熱流方向生長，幾乎垂直于熔池邊界的切向。因此，L-PBF中的紋理演變特征可能會因制造工藝參數的不同而變化，這取決于它們對熱流方向的影響以及由此導致的熔池形狀的變化。

本研究采用X掃描策略，其中激光在一個方向（X方向）上進行雙向（鋸齒形）掃描。在本研究中，掃描和構建方向設置為平行于x和z方向。X掃描策略的示意圖如圖1a所示。

圖1 （a，b）掃描策略和相應紋理的示意圖，以及（c，d）使用（a，c）X掃描或（b，d）XY掃描方法對bcc-Ti-15Mo-5Zr-3Al合金進行L-PBF期間其演變機制的示意圖。

在五種條件下，成功地制作出形狀精確的矩形試樣，但其中演變的紋理差異很大。圖2a、b、c、d和e顯示了掃描電子顯微鏡（SEM-EBSD）中的電子背散射衍射分析在y–z截面（即垂直于掃描x方向的平面）上拍攝的晶體取向圖。圖2e所示的條件對應于之前報告的顯著紋理演變。圖2e顯示了沿掃描x方向排列的<001>和沿y和z方向排列的<110>的強紋理演變。然而，當激光功率或掃描速度降低時，紋理演變的程度逐漸減弱。

圖2 （a–e）SEM–EBSD晶體取向圖和相應的{100}和{110}極圖（下圖），顯示了在使用x掃描策略制造的Ti-15Mo-5Zr-3Al合金試樣中，垂直于掃描x方向的y–z截面上測量的基于激光功率和掃描速度的紋理變化。（f，g）沿掃描x方向測得的P<001>變化，以及沿y和z方向測得與制造工藝參數相對應的P<110>變化。

為了闡明這種結構變化的物理起源，進行了顯微結構觀察。圖3a和b顯示了以最低和最高掃描速度制造的樣品的建筑物z表面的SEM圖像。掃描速度的差異影響熔池的形態(tài)。隨著激光掃描速度的增加，熔池長度也隨之增加。因此，熔池的三維形狀發(fā)生了變化，如圖3c和d所示。

圖3 （a，b）顯示熔池形狀隨掃描速度變化的SEM圖像。（c，d）顯示熔池三維形狀變化的示意圖。（e，f）x–z截面上觀察到的微觀結構的高倍圖像，顯示柱狀細胞伸長方向的變化。

圖2所示的結果清楚地表明，控制柱狀細胞沿x方向的晶體取向，即沿x方向<001>的排列，是影響強織構演變的顯著因素之一。圖3所示的觀察結果表明，這可以通過誘導柱狀細胞的二維生長來實現(xiàn)，僅限于垂直于掃描x方向的y–z截面。

fcc和bcc材料的織構發(fā)展機制

粉末床熔合型AM產品中的紋理形成已有十多年的報道，例如Al Bermani等人的研究。然而，最近才開始有意識地應用它來誘導產品中新的、優(yōu)越的功能性。Ishimoto等人通過考慮上一節(jié)中的發(fā)現(xiàn)，闡明了L-PBF制備的立方對稱材料中的強織構演變機制，即“當在x-z截面上觀察時，控制細長細胞沿z方向生長的產品中形成了強織構”，通過適當選擇L-PBF制造工藝參數。除了X掃描方法外，XY掃描方法通常用于產品制造，其中激光是雙向掃描的，但每層后旋轉90°。

對于X掃描樣品，y–z截面上的微觀結構觀察顯示了位于熔池中心的柱狀晶粒邊界。在熔池的左右半部分，雙向細胞生長沿著− 與建筑方向的夾角分別為45°和45°。SEM-EBSD分析表明，前一凝固池左半部和下一凝固池右半部的晶體取向完全相同。如前所述，細長胞狀微結構的結晶方向幾乎對應于<100>，這是大多數立方對稱材料的優(yōu)先生長方向。在細胞生長的平衡狀態(tài)下，它們傾向于沿- 45°和45°方向生長，因為熔池兩側晶胞的一次和二次延伸方向傾向于保持<100>方向，以促進外延生長。由于y–z截面上<100>細胞的±45°生長，<110>在X掃描樣本中優(yōu)先沿構建z方向定向。

FCC金屬中的壓痕形成機制和缺陷網絡。

相反，當使用XY掃描方法時，微觀結構的觀察結果表明，熔池底部周圍生成的細長<100>細胞沿構建z方向生長，而在X掃描期間，熔池上壁周圍生成的其他細長<100>細胞則沿構建方向垂直生長，如圖1d所示。在隨后的Y掃描生成的熔池中，觀察到等效的細胞生長。這是由于在兩個掃描區(qū)域保持相同的晶體取向，以最小化外延生長產生的界面能。如果X掃描中觀察到，在XY掃描期間，<100>定向細胞生長發(fā)生在±45°方向，則<100>不能在下一個Y掃描層中連續(xù)生長。因此，這種±45°的生長在XY掃描中不受歡迎。因此，<100>在XY掃描樣本中沿著兩個掃描（x-和y-）和構建z方向固定，如圖1d所示。

如上所述，熔池形狀通過細長細胞生長方向的變化顯著影響紋理發(fā)展行為。如前一節(jié)所示，由于L-PBF過程中熔池形狀隨能量密度而變化，因此在特定情況下，紋理變化取決于激光功率。Sun等人報告了316L不銹鋼織構的變化，其中，通過增加激光功率，結合垂直于熔池延伸方向的單掃描和雙向掃描之間的掃描策略變化，沿著構建方向的優(yōu)先對準可以從<001>變?yōu)?011>。

此外，Sun等人最近報告了X掃描產品中“混合”<001>和<011>紋理的演變，如圖4所示，由適當的工藝參數控制提供。這種獨特的結構被稱為“晶體層狀微結構”（CLM）。主要區(qū)域和次要區(qū)域之間的晶體取向關系，如圖4c中的綠色和紅色所示。

圖4（a–d）通過SEM-EBSD分別沿X、y和z方向觀察到，使用X掃描策略制作的不銹鋼316L試樣中的晶體取向圖，具有（a）晶體層狀微結構（CLM）和（b）單晶結構。（c，d）沿z軸的相應高倍晶體取向圖，在y–z截面上的樣品頂面觀察到。箭頭表示電池伸長方向為±45°（綠色）或垂直方向（紅色）。（e）示意圖顯示了CLM中主要區(qū)域和次要區(qū)域之間的晶體取向關系。

通過關注熔體池形狀來理解織構形成機制的這一想法的有效性最近已被報道，不僅針對L-PBF，而且針對EB-PBF產品(圖5)。具有較高熱源能量的EB-PBF誘導形成形狀平坦的熔體池。即使在x掃描模式下，這也誘導柱狀細胞沿z方向垂直生長，如圖5c所示。結果，與L-PBF情況相比，在圖5d的xy掃描產品中觀察到的相同的織構得到了發(fā)展。這就是為什么EB-PBF產品的質地控制比L-PBF產品有限的原因。

圖5 顯示L-PBF和EB-PBF產品之間晶體結構演變行為差異的示意圖：（a）L-PBF中的X掃描，（b）L-PBF中的XY掃描，（c）EB-PBF的X掃描和（d）EB-PPB中的XX掃描。

通過改變每個位置的掃描策略實現(xiàn)紋理的局部控制

AM的優(yōu)點是掃描策略可以根據產品中的位置進行更改。如前一節(jié)所述，在L-PBF期間改變掃描策略可以改變產品中紋理的演變，即X掃描中<110>紋理的演變和XY掃描中<100>紋理的演化，沿著構建z方向。因此，需要一種能夠實現(xiàn)精確的局部紋理控制（產生類似馬賽克的紋理）的方法來實現(xiàn)功能增強的產品。例如，用于生物醫(yī)學植入物的Ti-15Mo-5Zr-3Al合金的強度和楊氏模量必須進行適當調整，以適應體內實際應用中的應力場，以減少骨的應力屏蔽，如圖6a所示。在鑄造和鍛造等傳統(tǒng)工藝中，不可能對紋理進行局部控制，然而，當使用AM時，可以相應地改變掃描策略，如圖6b所示。

圖6 (a)概念圖顯示用于固定骨折的接骨板植入物對紋理(馬賽克樣紋理)的局部控制。(b)本課題組L-PBF制作的具有馬賽克樣紋理的真實產品。

Geiger等人進行了第一批針對L-PBF局部紋理控制的研究。通過改變樣本中的掃描策略，他們證明了紋理和彈性各向異性可以沿著構建方向進行定制，方法是在每個位置的順序構建過程中堆疊不同的掃描區(qū)域。還報道了一些與L-PBF3和EB-PBF相關的研究。對于EB-PBF，重點主要是<001>增長和隨機定向增長的混合。Sofinowski等人報告了當地定制的316L不銹鋼L-PBF制造。

值得注意的是，在Sofinowski等人的研究中，掃描方向每旋轉1°，紋理似乎沒有顯示出連續(xù)變化，而是離散變化。這意味著當L-PBF期間掃描策略改變時，紋理中出現(xiàn)瞬態(tài)區(qū)域。最近的一項研究清楚地闡明了這一點。圖7a、b、c、d、e和f顯示了在Ti-15Mo-5Zr-3Al樣品中測量的晶體取向圖，其中掃描策略在L-PBF制造過程中定期改變。在該研究中，應用了兩種不同的掃描變化方案，如圖7a、b和c所示，交替進行X掃描和XY掃描，或如圖7d、e和f所示，在X掃描和Y掃描之間交替進行。掃描策略每30層改變一次。圖7（a，d）、（b，e）和（c，f）分別表示在y–z橫截面上沿x、y和z方向分析時的晶體取向顏色。在圖7中，掃描策略更改的位置由水平灰線表示。如上所述，兩種變化方案都證實了馬賽克狀紋理的演變，證明了L-PBF中掃描策略控制的有效性。值得注意的是，紋理的瞬態(tài)行為因掃描策略而異。當X掃描和XY掃描交替進行時，<110>和<100>紋理演變的面積分數顯著不同。然而，掃描策略在相同的30層周期內交替改變。如圖7b和c所示，它們分別顯示了沿y和z方向的晶體取向，紅色表示的<100>紋理的面積比綠色表示的<110>紋理的要寬得多。

圖7通過（a–c）X掃描和XY掃描以及（d–f）X掃描與Y掃描之間的交替變化，在bcc-Ti-15Mo-5Zr-3Al樣品制造過程中改變掃描策略，顯示紋理變化的晶體取向圖。y–z剖面觀察結果；顏色表示晶體沿（a，d）x-、（b，e）y-和（c，f）z方向的取向。掃描策略發(fā)生變化的位置用水平灰線表示，紋理產生變化的位置由藍色和紅色虛線表示。

此外，當X掃描和Y掃描交替進行時，如圖7d、e和f所示，演化紋理本身的性質因掃描策略的交替而改變。在理想的X掃描中，<100>、<011>和<011>的晶體取向分別沿X、y和z方向排列，如圖1c所示。同樣，在理想的Y掃描中，預計<011>、<100>和<011′>晶體取向的演變分別沿x、Y和z方向。因此，當聚焦于沿z方向的晶體取向時，預計僅沿<011′>（以綠色顯示）對齊，因為<011″>是X掃描和Y掃描樣品中演變的紋理的典型方向。然而，圖7f中的觀察結果表明，在X掃描和Y掃描之間的過渡區(qū)中，出現(xiàn)了一個意外的<100>紋理（以紅色顯示），<100>沿z方向排列，面積比例相對較大。

這些結果表明，紋理形成機制不僅受掃描策略的控制，而且與柱狀細胞相對于原有基底（基質）易于外延生長相關的“紋理穩(wěn)定性”也起著重要作用。在使用單晶起始板的研究中，進一步定量地討論了“織構穩(wěn)定性”。

非立方材料的織構演化；晶體對稱性作為控制因素

AM的一個眾所周知的優(yōu)點是，它可以用于制造復雜幾何形狀的產品，而這些產品無法使用標準制造技術進行制造。這包括高溫結構材料，通常在室溫下表現(xiàn)出脆性。通過選擇性激光加工（包括SLM（L-PBF）和選擇性激光燒結（SLS））制造氧化鋁、碳化硅、磷酸鈣和氧化鋯等陶瓷材料。然而，此類陶瓷材料的紋理控制鮮有報道。

我們最近報道了L-PBF制造過渡金屬二硅化物產品C11b–MoSi2和C40–NbSi2，預計將在1200°C以上的溫度下使用。如果能夠控制這些產品的織構發(fā)展，則可以提高其高溫強度和抗蠕變性能。

圖8顯示了（a）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、（b）四方MoSi2和（c）六方NbSi2的L-PBF制備樣品的代表性極圖。在bcc Ti中，使用X掃描和XY掃描策略開發(fā)了沿構建方向排列的<011>和<100>的不同單晶結構（圖1）。然而，四方MoSi2和六方NbSi2的織構特征不同。在四方MoSi2中，X掃描樣品中形成了單晶織構，構建z方向和掃描X方向分別平行于<100]和[001]。然而，在XY掃描樣品中，只有纖維狀紋理的構建z方向平行于<100]，而沒有單晶紋理。這些不同的紋理演變特征源于晶體對稱性的差異，這影響了它們優(yōu)先生長方向的“多樣性”，如圖9所示。

圖8用立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的掃描策略比較極圖的變化。

圖9（a） L-PBF晶體結構、細長胞優(yōu)先生長方向和織構發(fā)展之間的關系。（b）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的X掃描和XY掃描過程中，晶體結構紋理發(fā)展特征的變化示意圖。

MoSi2中的C11b結構包含一個四方單元，其中三個bcc晶格沿c軸堆疊，如圖9a所示。MoSi2中細長細胞的優(yōu)先生長方向與<100]平行。在MoSi2的L-PBF中，柱狀細胞的生長主要發(fā)生在紋理強烈的樣品中垂直于掃描x方向的平面上，類似于圖3f中的解釋。因此，在X掃描樣品中，平行于<100]的細胞優(yōu)先生長，隨后平行于<010]的橫向生長發(fā)生在y–z截面上，因為在四方晶體中[100]和[010]方向在晶體學上是等效的。因此，垂直于[100]和[010]的[001]沿掃描x方向對齊。因此，形成了類似于fcc和bcc材料的單晶結構。

AM中紋理控制的未來展望

如上所述，金屬和陶瓷AM的未來技術將不僅作為傳統(tǒng)的基于識別的形狀控制工具，而且作為允許自由控制晶體取向和微觀結構的創(chuàng)新工具而發(fā)展。將任意形狀控制與通過紋理控制控制材料屬性相結合，將有助于開發(fā)迄今為止無法實現(xiàn)的高性能產品。例如圖6所示的高功能植入材料的開發(fā)。另一個關注航空航天部件的例子是高性能渦輪葉片。如圖10所示，葉片因旋轉而受到離心力的部分由柱狀晶�；騿尉ЫM成，其晶體取向受到控制，而下部固定部分由隨機多晶等軸晶粒組成，以確保抗疲勞性和低溫韌性。通過這些方式，將在不久的將來開發(fā)出傳統(tǒng)鑄造技術無法制造的多功能產品，重點是同時控制AM產品的形狀和紋理，以應用于各個領域。

圖10僅可使用AM工藝制造的高性能渦輪葉片的概念圖。（EBSD圖只是一幅概念上顯示柱狀晶粒和等軸晶粒的圖像，并非取自實際的鎳基高溫合金）。

為了擴大此類應用，需要增加在AM過程中可以控制其紋理的材料的數量。如本文所述，已發(fā)現(xiàn)許多金屬和一些陶瓷的紋理控制潛力，無論其晶體結構如何。然而，AM對作為生物材料重要的Ti-6Al-4V或作為高溫耐熱材料重要的鈦鋁合金的織構控制尚未完全實現(xiàn)。原因是這兩種合金在高溫下都表現(xiàn)出固態(tài)相變。由于AM的織構控制基于對凝固過程的控制，因此很難抑制冷卻過程中固態(tài)相變對織構的破壞。

結論

盡管AM優(yōu)先考慮制造過程中的精確形狀控制，但紋理控制也很重要，因為它是金屬AM的獨特特征。本文所述的最新發(fā)展使得能夠有意控制產品中的紋理。精確的紋理控制與復雜的近凈形狀控制相結合，可以創(chuàng)建一個層次結構，其中的屬性在原子尺度到毫米尺度的不同尺度下都是各向同性或各向異性控制的，從而實現(xiàn)前所未有的優(yōu)越屬性。

D-WAAM過程的沉積模型。

要控制L-PBF樣本中的紋理，必須考慮以下因素：

1.必須控制L-PBF工藝參數，以實現(xiàn)柱狀細胞的二維生長，限制在垂直于掃描x方向的y–z截面，從而實現(xiàn)向強紋理的演變。

2.由于y–z截面上的細胞優(yōu)先生長，沿掃描方向的<001>排列是控制立方（fcc，bcc）材料紋理演化行為的最重要因素。

3.紋理形成機制不僅受掃描策略控制，還受紋理穩(wěn)定性控制，這與柱狀細胞相對于先前存在的基底（基質）容易外延生長有關。

4.在具有非立方晶體對稱性的材料中，與立方材料中觀察到的紋理相比，會產生不同的紋理。擇優(yōu)晶體生長方向的晶體學多樣性是決定其織構特征的主要因素之一。

來源：Control of Anisotropic Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Metals and Ceramics—A Review, Advertisement, doi.org/10.1007/s11837-021-04966-7

參考文獻：V. Bhavar, P. Kattire, V. Patil, S. Khot, K. Gujar, and R. Singh, Additive Manufacturing Handbook (CRC Press, Boca Raton, 2017), pp 251–253.