《Acta Materialia》綜述：增材制造金屬的斷裂與疲勞（一）

來源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

摘要

與傳統(tǒng)制造方法相比，金屬部件的增材制造（AM）具有許多優(yōu)勢，最顯著的是在幾乎不浪費材料的情況下實現(xiàn)設(shè)計自由。因此，目前大家對各種結(jié)構(gòu)合金的制造方面有著重大的興趣。同時，建立加工-微觀結(jié)構(gòu)-機械性能關(guān)系，以及AM工藝固有的缺陷、殘余應(yīng)力和細(xì)觀結(jié)構(gòu)等屬性，對于廣泛采用使用AM制造的結(jié)構(gòu)金屬部件至關(guān)重要。鑒于此，本文對AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的當(dāng)前理解進(jìn)行了全面回顧，強調(diào)了AM合金微觀結(jié)構(gòu)的獨特方面、工藝相關(guān)屬性及其對拉伸、斷裂、疲勞裂紋擴展和無缺口疲勞性能的影響，重點介紹了微觀結(jié)構(gòu)和工藝屬性之間的相互作用，以確定AM合金的結(jié)構(gòu)完整性，如接近臨界疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌性和疲勞強度等，并把這些方面與鍛造或鑄造合金中各自的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性進(jìn)行了對比。總結(jié)了通過在AM期間臨時改變加工條件或通過退火、熱等靜壓和噴丸等后處理來提高合金損傷容限的策略，識別了AM合金疲勞和斷裂方面存在的差距。這對于工程部件的廣泛部署和可靠性設(shè)計至關(guān)重要，這些差異有望為這一領(lǐng)域的研究提供未來的途徑。



圖0 成果的Graphical abstract

1.背景介紹

金屬零件的傳統(tǒng)制造業(yè)除了充當(dāng)關(guān)鍵技術(shù)的促成因素外，也是現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟的一個組成部分。通常，制造包括鑄造，隨后通過熱機械加工使用鍛造、軋制或擠壓（或其他方法）進(jìn)行“成形”，以及通過焊接、機加工、表面改性等進(jìn)行最終“精加工”。隨著這些工藝經(jīng)過幾個世紀(jì)的微調(diào)和完善，對合金成分、加工歷史、微觀結(jié)構(gòu)演變和機械性能之間關(guān)系的詳細(xì)理解已經(jīng)發(fā)展并應(yīng)用于工業(yè)實踐。鑒于結(jié)構(gòu)零件通常必須同時滿足多個性能指標(biāo)，此類知識尤其重要，因為成分或加工路線（或兩者）的微小變化可能以多種方式改變成分組合，而這些方式不一定以簡單的方式相互關(guān)聯(lián)。

傳統(tǒng)制造中增材制造（AM）與減材制造的對決有可能取代前面提到的調(diào)整完美的制造業(yè)平衡。這是因為它提供了許多優(yōu)勢：
（i）僅使用一個制造步驟進(jìn)行近凈形狀零件制造
（ii）允許進(jìn)入設(shè)計空間的設(shè)計靈活性
（iii）接近零的材料損耗，導(dǎo)致高“fly-to-buy”比率
（iv）零件的快速原型制作和測試，這顯著縮短了新設(shè)計從“概念到部署”的周期時間，
（v）使用不同合金制造不同類型組件的靈活性
（vi）按需制造，從而降低庫存成本，減少供應(yīng)鏈中斷
（vii）能夠生產(chǎn)具有位置梯度的零件或其中包含多種合金。
因此，全世界都對AM感到相當(dāng)興奮，已經(jīng)（或正在）對研究和產(chǎn)能建設(shè)進(jìn)行了大量投資。AM對工業(yè)4.0的重要貢獻(xiàn)中，其數(shù)字化性質(zhì)也是一個不可忽略的原因。

在正在開發(fā)的不同種類的材料中，金屬和合金的AM技術(shù)是最具挑戰(zhàn)性的，因為以增加高度的方式生產(chǎn)部件并不像表面看起來那么簡單。由于逐行逐層的建造策略而產(chǎn)生的額外的工藝相關(guān)屬性，如孔隙度、殘余應(yīng)力、細(xì)觀結(jié)構(gòu)等，加劇了這種情況。此外，不同位置的微結(jié)構(gòu)的變化也為加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的建立增加了相當(dāng)大的復(fù)雜性。因此，確保為質(zhì)量評估和認(rèn)證目的而生產(chǎn)的部件的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性仍然是一個主要的挑戰(zhàn)，這阻礙了AM的廣泛適應(yīng)。解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)-屬性相關(guān)性，同時也考慮到進(jìn)貢過程。雖然對制造方面和微觀組織-拉伸性能連接進(jìn)行了廣泛的研究和報道，但最終決定工程部件結(jié)構(gòu)完整性的疲勞和斷裂方面卻沒有進(jìn)行廣泛的研究，特別是從“微觀組織”的角度。

疲勞導(dǎo)致的斷裂是承載構(gòu)件結(jié)構(gòu)失效的最主要原因。在常規(guī)制造的金屬合金中，疲勞失效的起裂、擴展和快速斷裂機制的微觀組織機理是很好理解的。然而，關(guān)于AM合金中獨特的微觀結(jié)構(gòu)，如精細(xì)亞穩(wěn)相、介觀結(jié)構(gòu)和孔隙率—所有這些都直接來自于獨特的加工屬性—是如何影響疲勞和斷裂的，目前還沒有明確的認(rèn)識。這不僅對AM組件的可靠性評估至關(guān)重要，而且還將有助于識別必須修改的加工步驟，以生產(chǎn)具有足夠或優(yōu)越的結(jié)構(gòu)完整性的組件。AM與大量的工藝參數(shù)相關(guān)，允許復(fù)雜的設(shè)計功能，導(dǎo)致高度不尋常的加載配置，并允許定制的部件生產(chǎn);這使得連接材料、過程和結(jié)構(gòu)特別困難�？紤]到這一點，我們在這里提供了AM合金疲勞和斷裂方面的綜合綜述。此外，由于微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能是討論的重要部分，本文對這些方面也進(jìn)行了總結(jié)。

考慮到對AM合金的研究呈指數(shù)級增長，對金屬AM的一些評論是現(xiàn)成的也就不足為奇了。例如，Gu etal . [1]， Sames etal . [2]，Herzog etal .[3]，和DebRoy etal .[4]提供了物理過程、冶金及其對支柱性能的影響的全面概述。許多此類評論的焦點都集中在許多應(yīng)用上——不同金屬和AM工藝本身;例如，Mostafaei等人[5]對粘合劑噴射工藝進(jìn)行了綜述。關(guān)注特定金屬的綜述包括Dutta等人[6]、Agius等人[7]、Romero等人[8]、Liu等人[9]提出的鈦合金綜述；由Aboulkhair等人[10]提出的鋁合金綜述；Fayaz-far等人[11]和Bajaj等人[12]的不銹鋼綜述；Babu等人[13]和Jinoop等人[14]的鎳基高溫合金綜述，這導(dǎo)致了一系列關(guān)注AM金屬疲勞和斷裂的出版物。而Lewandowski和Seifi[15]提供了專門關(guān)注力學(xué)性能的綜述，在過去五年中取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。在Sanaei等人[16]的綜述中，強調(diào)了工藝相關(guān)屬性對高循環(huán)疲勞行為的影響。雖然Shamsaei等人[17,18]和Fotovvati等人[19]的文章回顧了AM金屬的疲勞特性，但重點不是微觀結(jié)構(gòu)-工藝相關(guān)屬性-性能之間的相互關(guān)系，本文試圖強調(diào)這一點。

本次審查的組織方式如下。下一節(jié)（第2節(jié)）將簡要概述廣泛使用的AM技術(shù)和合金，強調(diào)相關(guān)工藝屬性和常見的AM合金。通常報告的AM合金的主題貫穿整個審查過程，首先討論微觀結(jié)構(gòu)特征（第3節(jié)）和工藝相關(guān)屬性（第4節(jié)）。隨后，對準(zhǔn)靜態(tài)特性，即拉伸（第5節(jié)）和斷裂韌性（第6節(jié)）特性進(jìn)行了綜述。第7節(jié)側(cè)重于疲勞裂紋擴展行為，而第8節(jié)側(cè)重于無缺口疲勞。第9節(jié)中給出了總結(jié)。

2.廣泛應(yīng)用的AM技術(shù)和合金

2.1.方法

ISO/ASTM 52900標(biāo)準(zhǔn)目前將AM工藝分為以下七類[20]：粘合劑噴射（或粘合劑噴射打印，BJP）、定向能沉積（DED）、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融（PBF）、薄板層和還原型光聚合。根據(jù)所使用的能源（激光或電子束和電�。�、原料狀態(tài)（粉末、電線或薄板）和材料進(jìn)料方法（吹塑或進(jìn)料粉末或粉末床）[20]。對這些材料進(jìn)行進(jìn)一步分類，基于有關(guān)疲勞和斷裂AM合金的現(xiàn)有文獻(xiàn)的數(shù)量和質(zhì)量以及其中的微觀結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性，本綜述的重點僅限于三種基于粉末的技術(shù)，即BJP、PBF和DED。PBF和DED工藝（熱源為激光或電子束）被視為直接制造路線，而BJP被視為間接制造路線[2]。使用直接法生產(chǎn)的零件通常被認(rèn)為在一致性和尺寸精度方面更優(yōu)越，因此在最近的研究工作和應(yīng)用潛力方面更為普遍[21]。

與DED相比，PBF主要用于全尺寸零件的制造，因此，在工業(yè)應(yīng)用方面，PBF是最接近傳統(tǒng)制造的自然替代品。最流行的金屬AM方法是基于激光的PBF或LB-PBF。它的流行主要是由于相對較高的尺寸精度、較低的機器成本和較短的制造時間�；�于電子束的PBF，或EB-PBF，通常在10−4毫bar以下的高真空中進(jìn)行，為制造對氧和氮具有高親和力的材料（如鈦和鋁合金）提供理想的低污染環(huán)境[6]。一般來說，由于更高的能量輸入和更快的掃描速度，EB-PBF的構(gòu)建時間比LB-PBF短。零件通常在加熱構(gòu)建平臺（600–750°C）上構(gòu)建，從而在構(gòu)建（AB）狀態(tài)下形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)[22]。EB-PBF的主要缺點是印刷件的表面質(zhì)量較差，與LB-PBF相比成本較高。

圖1   Schematic diagrams illustrating (a) 粉末床激光增材制造（laser based powder bed fusion (LB-PBP) (LB-PBP) ）, (b)激光定向能沉積（ laser based directed energy deposition (LB-DED) ）和  (c) 粘結(jié)劑打印工藝（binder jet printing (BJP)）

在DED中，材料通常通過壓力粉末噴射沉積到熱源的焦點[6]。最常見的是，DED用于表面涂層和修復(fù)因磨損或損壞而丟失材料的零件。雖然電子束或電弧熱源已用于DED技術(shù)，但最近的大部分發(fā)展集中在基于激光的DED或LB-DED[11]。

BJP等間接方法使用相對便宜的工藝制造“綠色”零件，然后進(jìn)行幾個關(guān)鍵的后處理操作，以致密化和改善零件的機械性能。雖然“綠色”零件的制造速度比其他AM工藝快，但需要大量的后處理，這占用了大部分制造時間。近年來，BJP已發(fā)展成為最流行的間接金屬AM技術(shù)。其工作原理是通過精確噴射聚合物基粘合劑來形成綠色零件的粘結(jié)粉末。然后通過紫外線輻射或在燒結(jié)過程中去除結(jié)合介質(zhì)。

下面簡要介紹三種常用金屬AM方法的基本原理。PBF過程如圖1A[23]所示，粉末通過粉末床旁邊的料斗或儲液罐分布在床上。每一層有選擇地熔化，通常一次熔化一條線，與相鄰線重疊，形成所需形狀的層。對于連續(xù)層的制造，構(gòu)建平臺被降低，預(yù)定厚度的新粉末層被鋪在粉末層上，并且重復(fù)選擇性熔化。重復(fù)此過程以構(gòu)建三維零件。制造完成后，移除未熔化的粉末，露出處于AB狀態(tài)的零件，并與構(gòu)建平臺融合。理想情況下，在移除支撐結(jié)構(gòu)和移除構(gòu)建平臺之前，零件需要應(yīng)力消除（SR），以避免變形。后處理通常是不需要的，包括熱處理，如退火（AN）和表面精加工步驟，以增加機械性能和細(xì)化尺寸公差。

PBF工藝中的層厚度可以在-20到200μm之間，具體取決于用于固結(jié)的材料類型和熱源[24,25]。典型的第10百分位和第90百分位粉末粒徑范圍分別為42至92μm和60至120μm[26,27]。為了使粉末床的流動順暢和填充良好，顆粒需要盡可能呈球形，且尺寸分布較窄[1]。在LB-PBF中，粉末材料被選擇性熔融，通常使用波長約為1070 nm、功率范圍為20至10 0 W的Nd:YAG激光器[28,29]。焦平面內(nèi)激光束的典型光斑尺寸在50到180μm之間[28–30]，具體取決于所用的制造系統(tǒng)[28,31]。激光束通過電流計掃描儀定向，以在沉積粉末層上實現(xiàn)10 0至2000 mm/s的掃描速度。

通常，單個熔化軌跡的序列遵循掃描策略，包括彎曲/來回接近[32]、隨機圖案[28]（其中單個島進(jìn)行連續(xù)融合）或條紋[29]（其中指定寬度的單個條紋進(jìn)行順序融合）。后兩種降低孔隙度的方法通常包括島或條紋之間的一些重疊。掃描方向在每層之后旋轉(zhuǎn)和偏移。在某些情況下，建造平臺加熱，例如，鋁合金生產(chǎn)推薦的加熱方式[33–35]。這導(dǎo)致較低的凝固速率，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的熔體，在某些情況下，生成密度更高[33]。

在EB-PBF中，電子束通常以60 kV電壓加速，并使用電磁透鏡聚焦，由磁掃描線圈引導(dǎo)，以在沉積粉末層上實現(xiàn)10至10 4 mm/s的掃描速度[36]。與LB-PBF相比，該方法通過散焦光束和多次掃描床面來預(yù)熱構(gòu)建平臺[37]。為了確保完全熔化，使用類似于LB-PBF的預(yù)定義掃描策略，掃描速度降低到約10 2 mm/s。典型的層厚度值在50到150μm之間，光斑尺寸在140到250μm之間[31]。

圖1b中提供了DED過程的示意圖。通過熔化表面并同時應(yīng)用粉末原料來制造零件。粉末由同軸安裝在熱源上的噴嘴供應(yīng)。生成的熔池通常通過向構(gòu)建區(qū)域注入惰性氣體來防止氧化。雖然通常使用Nd:YAG激光器，但也有報道使用CO 2、二極管和摻鐿光纖激光器。功率范圍在800到2400 W[14]之間，光斑大小在0.3和3毫米[37,38]之間變化，掃描速度約為900毫米/分鐘[14]。LB-DED過程的一個特殊優(yōu)點是，它們不限于平面內(nèi)層構(gòu)建，這比PBF過程提供了更多的設(shè)計自由度。當(dāng)沉積頭通過例如五軸系統(tǒng)或機械臂為每層重新定位時，零件通常是靜止的[39]。因此，DED工藝不受尺寸限制，因此更常用于生產(chǎn)大型零件。此外，通過將合金沉積到現(xiàn)有零件上，可以在重配對應(yīng)用中使用DED工藝[39]。雖然BJP方法也依賴于粉末床系統(tǒng)（圖1c），但它使用粘合劑的選擇性沉積來構(gòu)建綠色零件，隨后對其進(jìn)行高溫?zé)�結(jié)以首先燃燒聚合物粘合劑，然后燒結(jié)粉末顆粒以達(dá)到最終密度和強度[5]。由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)沒有亞穩(wěn)相、殘余應(yīng)力，并且與使用常規(guī)方法產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)相當(dāng)。雖然被認(rèn)為更便宜（生產(chǎn)率更快），但該工藝的主要缺點是相對較高的孔隙率[40,41]。

2.2.合金

AM考慮了多種金屬和合金；報道最多的是鈦合金、鋼、鎳基高溫合金和鋁合金。而對合金如哈氏合金X、CoCrX[42–44]和高熵合金如FeCoCrNi[45]，F(xiàn)eCoCrNiC0.05[46,47]，F(xiàn)eCoCrNiAl0.5[48]、FeMnCoCrSi[49]和FeCoCrNiMn[50–52]，也有報道可以使用基于激光的工藝生產(chǎn)，將微觀結(jié)構(gòu)與機械性能（尤其是疲勞和斷裂）聯(lián)系起來的深入研究有限，因此在本綜述中不予以考慮。

在Ti合金中，Ti-6Al-4V（Ti6Al4V）是一種α-β合金，開發(fā)最為廣泛，LB-PBF、EB-PBF和LB-DED成功用于制造零件。的其他鈦合金，如Ti13Nb13Zr[53]和Ti6Al2Sn4Zr2Mo[54]使用LB-PBF生產(chǎn)，Ti6.5Al3.5Mo1.5Zr0.3Si使用LB-DED生產(chǎn)。TiAl基合金，如Ti48Al2Cr2Nb使用LB-PBF[57]和EB-PBF[58,59]生產(chǎn)，5Al4Nb1Mo0.1B使用EB-PBF[60]。

在這些鋼中，普通奧氏體不銹鋼（SS，所有名稱符合AISI）316L、304L、馬氏體時效鋼18Ni300和沉淀硬化17-4PH鋼受到了廣泛關(guān)注。其中大部分已通過LB-PBF、EB-PBF、LB-DED和BJP成功制造。此外，H13工具鋼已使用LB-PBF[61–63]和LB-DED[64,65]生產(chǎn)，420美國使用LB-PBF[66]和BJP[67]生產(chǎn)，P21（ASTM）使用LB-DED[68]生產(chǎn)。鎳基高溫合金因高溫應(yīng)用而廣為人知，通過使用LB-PBF、EB-PBF和LB-DED（包括Inconel 625和718）檢查其印刷性。此外，還探索了使用微型激光輔助加工工藝制造Inconel 100零件[69]。

使用AM生產(chǎn)的不同鋁合金數(shù)量有限。使用LB-PBF、EB-PBF和LB-DED成功生產(chǎn)的合金包括時效硬化AlSi10Mg和共晶AlSi12。已報告的其他牌號包括AA2139（一種使用EB-PBF[70]生產(chǎn)的AlCuMg合金）和AlMg4.4Sc0.66MnZr[71]使用LB-PBF生產(chǎn)。

使用AM加工金屬的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于熱源和原料之間相互作用的性質(zhì)。例如，鋁對通常用于AM的激光波長具有高反射率，導(dǎo)致熱吸收不良。此外，具有高度不同蒸氣壓的合金元素，例如鋁與鎂和鋰合金，在真空條件下優(yōu)先蒸發(fā)。絕大多數(shù)合金在LB-PBF、EB-PBF和LB-DED期間普遍存在的快速凝固條件下容易開裂。一般來說，易焊接合金也適用于這些方法的AM。除此之外，合金的同素異形性，例如鈦基和鐵基合金，以及通常與某些AM技術(shù)相關(guān)的大溫度梯度和復(fù)雜熱循環(huán)，使得AM工藝、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系獨特。這反過來又使制造的合金及其機械性能對所用工藝高度敏感。因此，在零件制造過程中，需要仔細(xì)選擇工藝參數(shù)組合并進(jìn)行精確控制，以提高可靠性。

粉末進(jìn)料的質(zhì)量決定成型零件的整體質(zhì)量，尤其是在相對密度方面起著至關(guān)重要的作用。在PBF工藝中，粉末粒度和分布、球形度、粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)[72]影響其流動性[73]，從而影響AM工藝中沉積材料的能力[74,75]。Nandwana等人[72]報告說，更寬的粒度分布導(dǎo)致EB-PBF Ti6Al4V中的孔隙度水平降低。相反，較大的顆粒尺寸會導(dǎo)致較高的孔隙度。未熔化粉末的重復(fù)使用可導(dǎo)致氧氣的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致脆化和密度降低。Tang等人[76]報告說，EB-PBF Ti6Al4V中的剩余粉末逐漸變得不那么球形，具有明顯的變形和粗糙度，分布更窄，進(jìn)而影響缺陷的形成。

與PBF工藝不同，DED方法對原料不太敏感。然而，粉末顆粒表面上的裂紋或劃痕可能導(dǎo)致最終AM零件出現(xiàn)孔隙[2]。Nandwana等人[77]報告，粉末粒度分布和合金化學(xué)直接影響B(tài)JP零件的燒結(jié)動力學(xué)，因此，收縮率和可實現(xiàn)的致密化。例如，他們認(rèn)為10:1比例的雙峰粉末粒度分布允許生坯零件和隨后的燒結(jié)零件具有高密度。

3.AM合金中的微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)

在AM期間，在任何給定情況下，采用“直接”方法快速凝固少量熔體，使合金具有類似于使用快速淬火技術(shù)獲得的微觀結(jié)構(gòu)：具有增強固體溶解度的細(xì)相、亞穩(wěn)相和組分相。已沉積層的反復(fù)加熱和冷卻（在隨后的層制造過程中）使凝固合金經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，這在微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展方面具有重要的后果（在某些情況下，我們將在后面看到柱狀晶粒）和殘余應(yīng)力。這些技術(shù)的另一個固有特征，逐行和逐層構(gòu)建，產(chǎn)生了一種介觀結(jié)構(gòu)，通常用于反映了行填充間距、層厚度和掃描策略。所有這些微結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合，跨越了從納米到米（或更大）尺度的多個長度尺度，使得AM生產(chǎn)的鋁合金的機械性能獨特，與傳統(tǒng)制造的鋁合金相比有顯著差異。在本節(jié)中，我們首先總結(jié)了幾種AM合金類別的共同特征，然后介紹了每種合金系列的特定特征。

3.1.常見微觀結(jié)構(gòu)特征

3.1.1.凝固胞狀結(jié)構(gòu)

使用直接AM技術(shù)（即LB-PBF、EB-PBF和LB-DED）制造的許多合金的一個顯著特征是凝固胞狀結(jié)構(gòu)，在LB-PBF和LB-DED合金中其長度范圍為1至1μm，而使用EB-PBF制造的合金中的通常大于5μm[78–82]。圖2顯示了由LB-PBF[78]生產(chǎn)的316L中細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的代表性圖像。這些結(jié)構(gòu)的形成是凝固過程中成分過冷的結(jié)果。當(dāng)固液界面前的液體溫度由于溶質(zhì)濃度高而低于液體的凍結(jié)溫度時，界面變得不穩(wěn)定，從而有利于枝晶生長[83]。枝晶形態(tài)受溫度梯度（G）和凝固速度（H）的比值控制。在LB-PBF的情況下，冷卻速率極高（>10 6 K/s），凝固可用時間不足以形成二次枝晶臂，從而形成細(xì)胞形態(tài)[84]。在冷卻速度相對較慢的LB-DED過程中，觀察到二次驅(qū)動臂[79]。細(xì)胞結(jié)構(gòu)的大小取決于G和H，因此使用工藝參數(shù)[84]。

在幾種合金中觀察到的胞狀結(jié)構(gòu)與溶質(zhì)偏析和位錯胞狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如，圖2[85]說明了LB-PBF 316L中Cr和Mo向細(xì)胞壁的偏析。這種結(jié)構(gòu)特征的機械原因仍然是一個爭論和正在進(jìn)行的研究的問題。在過去十年中提出了幾種機制，其中一些機制如下：（i）定向凝固過程中沿晶胞邊界的溶質(zhì)偏析，導(dǎo)致溶質(zhì)富集產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力通過位錯結(jié)構(gòu)的形成來調(diào)節(jié)[84,86]。（ii）溶質(zhì)沿晶胞邊界偏析，伴隨著幾何上必要的位錯亞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶胞邊界的凈錯向[87]。（iii）位錯胞結(jié)構(gòu)是熱收縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)后來提供了增強的溶質(zhì)沿其擴散，導(dǎo)致分離[88]。細(xì)胞生長伴隨著高熔點溶質(zhì)的排斥；例如，Al-Si合金中的Si[78,80,89]，316L和304L中的Cr-Mo[85]，以及鎳基高溫合金中的Ti-Nb[90]。Bertsch等人[79]認(rèn)為，盡管溶質(zhì)偏析與定向凝固導(dǎo)致的細(xì)胞生長有關(guān)，但位錯細(xì)胞可能因高殘余應(yīng)力而獨立形成。在LB-DED 316L中，位錯單元獨立于單元邊界，而在LB-PBF 316L中，位錯單元對齊。這種差異歸因于后者相對較小的晶胞尺寸，這在能量上有利于位錯沿晶胞邊界堆積。需要進(jìn)一步研究以確定溶質(zhì)偏析和位錯胞的起源。例如，Marangoni表面不穩(wěn)定性在形成復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的作用有待詳細(xì)研究[78]。



圖2  316L的胞狀結(jié)構(gòu)的高清透射電鏡結(jié)果（STEM），而EDS成分圖則顯示出Mo和Cr元素在胞邊界的分離，來自文獻(xiàn)85  





圖2-1 SLM（或者叫L-PBF）工藝制備316L不銹鋼（SS）時典型的微觀組織以及拉伸性能的結(jié)果

3.1.2.介觀結(jié)構(gòu)

AM合金中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)不僅表現(xiàn)為所采用的掃描方法[91]，還表現(xiàn)為紋理[92]、晶界[93,94]和缺陷形成[95,96]。圖3 a出示了LB-PBF AlSi12[80]中的介觀結(jié)構(gòu)。在俯視圖中，可以看到凝固的激光軌跡，而側(cè)視圖顯示了重疊的熔池橫截面。熔池邊界對應(yīng)于激光束的高斯分布[96]，最高深度位于梁的中心。如圖3 b、c和d所示，熔體池邊界的硅柵顯示了LB-PBF Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)，其中連續(xù)層之間的掃描旋轉(zhuǎn)分別從90°改變?yōu)?7°[97]。在俯視圖中可以看到兩相合金先前的-β晶粒（PBG）結(jié)構(gòu)，其中90°掃描層形成棋盤狀結(jié)構(gòu)，每個正方形的寬度對應(yīng)于所采用的掃描間距，而67°掃描旋轉(zhuǎn)形成更球狀和等軸結(jié)構(gòu)。側(cè)視圖顯示了柱狀PBG結(jié)構(gòu)，也被視為介觀結(jié)構(gòu)，這在AM Ti6Al4V中常見。在許多情況下，這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)可能會影響拉伸、斷裂和疲勞行為的各向異性，包括制造后處理[3 97–100]，我們將在后面看到。



圖3 SLM（或者叫 LB-PBF）制備時得到的顯微組織： (a) AlSi12 在采用單道熔化的策略得到的結(jié)果； (b)熔池邊界區(qū)域存在Si的分離的結(jié)果；  (c) Ti6Al4V在采用每掃描一次旋轉(zhuǎn) 90°的結(jié)果； (d) 每掃描一次旋轉(zhuǎn)67° 得到的結(jié)果




圖3-1 (a) 在 350W, 650W 和950W的幾種條件下得到的3D形狀的顯微組織圖； (b) 在350W的條件下接近掃描道德末端的結(jié)果； (c) 掃描道中間的結(jié)果； (d) 在650W的條件下未熔化Nb的高倍照片，在(a)圖中使用黃色的矩形來表示；(a)圖中的點線用來表示熔池的邊界 。

模擬結(jié)果的快照圖： (a) 350W和 (b) 950W樣品的打印時的單道熔池的演變samples.其中X-Z橫截面的位置屬于參數(shù)  (c) 350W 和 (d) 950W 的樣品，而 y-z 橫截面則屬于相同的位置 (e) 350W和(f) 950W 樣品.其中在圖c-f中的標(biāo)尺為 200 μm  



圖 3-2 在打印Al合金時的顯微組織


文章來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals,Acta Materialia,Volume 219, 15 October 2021, 117240,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考資料：Wang, Y., Voisin, T., McKeown, J. et al. Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility. Nature Mater 17, 63–71 (2018). https://doi.org/10.1038/nmat5021