LPBF 增材制造過程中合金成分梯度主導晶粒生長的機制分析

來源：Materials Research Letters

激光粉末床熔化(LPBF)增材制造技術使用激光束選擇性地熔化粉末床上的合金粉末。該技術還可用于連接兩種不同合金。然而，在使用LPBF將一層合金3D打印到另一異種合金基底上的過程中，兩種合金的熱物理屬性不匹配可能會導致界面裂紋。研究表明，異種合金之間的微互鎖界面有助于提高界面結合強度并產生彎曲的顆粒。與典型的晶粒形態(tài)相比，彎曲晶粒有可能提高高溫蠕變和疲勞壽命。

近日，Materials Research Letters 期刊刊登了Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion 一文。在當前的研究中，研究人員已經開發(fā)了一種多材料高保真數值模型。通過多材料模擬和各種實驗測試，可以更好地掌握異種合金成分分布的3D空間特征以及合金成分對顯微組織的影響。

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▲論文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2023.2250826

圖1. 激光粉末床熔化(LPBF)單軌示意圖。橫截面A-A平行于掃描方向并垂直于基板。橫截面B-B垂直于掃描方向和基板。熔池深度(Dm)是從熔池底部到基材頂部的距離。熔池寬度(Wm)是基板頂部的軌道寬度。

圖2. 橫截面 A-A上激光功率L = 100 W 和掃描速度V = 300 mm/s 的單軌實驗(a)和模擬(b)獲得的合金成分分布。為了清楚起見，研究團隊將富含Fe(紅棕色)的區(qū)域代表316L，將富含Ni(綠色)的區(qū)域代表IN718。316L/IN718的2D成分梯度分布(c)及其相應的3D成分梯度等值面形狀(d)是從數值模擬中獲得的。圖(d)是從圖1中的視角Ⅰ觀察的。

通過實驗，研究團隊從2D角度觀察了合金成分分布特征[圖2 (a)]，但無法從3D角度觀察合金成分分布的空間特征。值得注意的是，從數值模擬的 2D 角度來看，不同合金成分梯度呈現出彎曲的條紋形狀 [圖2 (c)]。將圖2 (c) 與2(b)進行比較，可以觀察到成分梯度和成分分布有很好的聯(lián)系，316L和IN718在成分梯度兩側，意味著異種合金的成分梯度等值面可以反映主要成分分布的空間特征。

圖3. 當激光功率L = 200 W、掃描速度V = 1500 mm/s時使用 EDS 和 EBSD 獲得的異種合金的成分分布、成分梯度和微觀結構參見 (a)。當激光功率L = 100 W、掃描速度V = 30 mm/s時的成分分布、成分梯度和微觀結構參見 (b)。彎曲晶粒角度定義示意圖參見(c)。不同工藝參數下的彎曲晶粒形狀特征見(d)。

此前研究得出一個重要結論：合金成分主導晶粒生長[Yao Liming et al., Acta Mater,2021,220]。本文進一步研究發(fā)現，合金成分是影響晶粒生長的重要因素，而合金成分梯度(ACG)是主導晶粒生長的本質原因。雖然異種合金之間存在相互擴散[圖3 (a)]，但可以觀察到合金成分梯度較大的位置與彎曲晶粒的晶界重合。因此，研究團隊將合金成分梯度(ACG)作為評價合金成分(ACG)對合金顯微組織影響的指標，詳情參見原文。

圖4. 溫度梯度 (a)、成分梯度 (b) 和混合 (c) 模式分別主導彎曲晶粒生長的機制示意圖。

熔池的橫縱比(Dm/Wm)可以更好地描述其形狀特征。當Dm/Wm≥0.55時，Marangoni力導致異種合金有很強的相互擴散傾向[圖3 (d) ]。|ACG|<100000表示沒有顯著的成分轉變，導致溫度梯度主導晶粒生長，大多數晶粒垂直于熔池邊界[圖4 (a)]。當0.25≤Dm/Wm< 0.55時[圖3(d)]，Marangoni力導致熔池中的異種合金表現出適度的相互擴散傾向。合金成分分布呈曲線條狀，厚度約為15μm。在15μm區(qū)域不易生成多個晶核，加上較大的合金成分梯度(|ACG|≥100,000)主導晶粒生長，導致獨立的彎曲晶粒，角度高達272°。值得注意的是，溫度梯度在這一階段的晶粒生長過程中仍然發(fā)揮著作用，但成分梯度對晶粒生長的影響比溫度梯度更強烈，也可以理解為大的合金成分梯度在晶粒生長過程中起到了能量勢壘的作用[圖4 (b)]。當Dm/Wm≤0.55時，IN718熔體的對流距離較短，IN718熔體聚集在單一軌道上方，其當量直徑> 45 μm。雖然|ACG|≥100000，表明異種合金之間發(fā)生劇烈的化學轉變，仍然形成晶粒生長的能壘，導致晶界與合金成分梯度大的位置重合。但由于獨立的合金成分范圍較大，其內部晶粒生長仍然受到溫度梯度主導，這種情況是混合模式[圖4 (c)]。

論文引用信息：

Liming Yao, Zhongmin Xiao, Zhiongsheng Hoo, Chao Tang*, Jing Qiao* & Yanmei Zhang (2023) Mechanism analysis of grain growth dominated by alloy composition gradients during powder bed fusion,Materials Research Letters, 11:10, 814-820.https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2250826