中美五校聯(lián)合頂刊丨高性能金屬部件增材制造的晶粒結(jié)構(gòu)、相和缺陷調(diào)控機(jī)制

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

3D打印金屬零件的性能和可用性取決于多種屬性，包括化學(xué)成分、相、形態(tài)、晶粒尺寸和形狀的空間分布、晶體結(jié)構(gòu)和各種缺陷。由于需要優(yōu)化多種工藝變量和參數(shù)，因此控制這些參量是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。工業(yè)相關(guān)的常見增材制造合金（如鋼、鎳、鈦、鋁和銅合金）以及功能梯度材料的所需性能千差萬別，需要針對(duì)特定合金的策略進(jìn)行控制。近期的綜述文章闡述了加工-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，但未關(guān)注它們的控制策略。

近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院韋輝亮教授、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員聯(lián)合在《Progress in Materials Science》期刊發(fā)表了最新綜述文章“Control of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic componentsControl of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic components”，回顧了控制晶粒結(jié)構(gòu)、相和缺陷方面的最新進(jìn)展。該綜述強(qiáng)調(diào)了機(jī)械模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（機(jī)器學(xué)習(xí)、尺寸分析和統(tǒng)計(jì)方法等）等新興數(shù)字工具在控制零件性能方面的應(yīng)用。最后，確定了在金屬打印領(lǐng)域進(jìn)行高影響力研究的方向，并根據(jù)現(xiàn)有證據(jù)提出了未來展望。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

工藝參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的影響

迄今為止，僅對(duì)5000多種合金中的少數(shù)進(jìn)行了研究，以了解增材制造對(duì)性能產(chǎn)生有益影響的特殊特性。此外，正在開發(fā)專門用于增材制造工藝的新合金，以利用其獨(dú)特的特性（例如多次熱循環(huán)）來獲得卓越的性能。打印含硅鋼以獲得用于電動(dòng)機(jī)和變壓器的特定晶體結(jié)構(gòu)，或用于需要低熱膨脹系數(shù)的應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的含鎳和鈷鐵合金是新合金潛在有吸引力應(yīng)用的例子具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。利用豐富的鑄造和焊接知識(shí)庫，對(duì)現(xiàn)有合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小的改變，可能會(huì)解決增材制造中一些長(zhǎng)期存在的問題。例如，人們?cè)缇椭栏邚?qiáng)度鋁合金中的某些添加劑可以促進(jìn)等軸晶粒的生長(zhǎng)并防止凝固開裂。開發(fā)一個(gè)全面的知識(shí)庫來理解微觀結(jié)構(gòu)特征以及它們?nèi)绾闻c多種特性相關(guān)，這有助于建立可打印性數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中可以檢查合金工藝組合是否適合打印合適組件。除了揭示工藝-材料組合的結(jié)果外，它們還將繼續(xù)豐富相變、元素偏析、亞穩(wěn)相形成、晶粒和亞晶粒結(jié)構(gòu)以及中尺度缺陷到小至晶體缺陷的基本原理在AM期間產(chǎn)生獨(dú)特的特性。

更好地理解性能的獨(dú)特組合

零件的適用性取決于多個(gè)性能的組合。優(yōu)化工藝組合以實(shí)現(xiàn)所需的性能組合無疑會(huì)產(chǎn)生前所未有的獨(dú)特性能組合�？朔䦶�(qiáng)度-延展性權(quán)衡就是一個(gè)很好的例子。在大多數(shù)情況下，合金強(qiáng)度的增加伴隨著延展性的降低。然而，在某些不銹鋼和其他合金中，這種常見的范例已被克服，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其中一個(gè)或兩個(gè)性能的同時(shí)改進(jìn)。當(dāng)我們研究底層機(jī)制時(shí)，新知識(shí)無疑會(huì)帶來更好的零件性能和適用性。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

新合金

鐵基、鋁基、鎳基和鈦基合金的晶體結(jié)構(gòu)由它們所含溶質(zhì)修飾的溶劑原子的晶胞決定。添加溶質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量是控制合金凝固行為、晶粒形態(tài)、相組成和機(jī)械性能的基礎(chǔ)。然而，眾所周知，金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻速率和應(yīng)力等外部脈沖非常敏感。增材制造中使用的現(xiàn)有鐵基、鋁基、鎳基和鈦基合金并不是專門為增材制造設(shè)計(jì)的。增材制造的大多數(shù)變體都涉及多個(gè)熱循環(huán)，這些循環(huán)會(huì)影響金屬部件的微觀結(jié)構(gòu)和性能。可以預(yù)測(cè)熱循環(huán)的過程模型正在出現(xiàn)。然而，預(yù)計(jì)將過程變量與零件的微觀結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)聯(lián)是一個(gè)緩慢的過程，因?yàn)檫^程變量數(shù)量多、范圍廣，以及微觀結(jié)構(gòu)和性能的合金特定性質(zhì)。高級(jí)建模可以幫助控制熱循環(huán)，這有助于深入了解微觀結(jié)構(gòu)的演變。此外，新合金和功能分級(jí)材料的開發(fā)將繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)暴露于AM條件時(shí)，可以產(chǎn)生滿足零件性能需求的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

更少的缺陷

未熔合缺陷、開裂、殘余應(yīng)力和變形、各種類型的孔隙率、表面粗糙度、波紋度、球化、化學(xué)成分變化和位錯(cuò)等晶體缺陷是增材制造零件的重要微觀結(jié)構(gòu)特征。中尺度和更小的多個(gè)缺陷，一直到原子尺度，都會(huì)深刻影響零件的性能和適用性。熱處理和熱等靜壓等后處理將繼續(xù)用于減輕孔隙率、未熔合和殘余應(yīng)力等缺陷，但這些步驟會(huì)損害零件的成本競(jìng)爭(zhēng)力。所有尺度的缺陷也以復(fù)雜的方式影響機(jī)械性能。盡管最近在定量理解缺陷的起源和各種過程變量的層次影響方面取得了重大進(jìn)展，但目前還缺乏用于理解過程變量與缺陷和零件機(jī)械性能之間相關(guān)性的定量框架。機(jī)械建模和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的持續(xù)進(jìn)步有可能縮小工藝參數(shù)窗口以控制缺陷并提高零件的可維護(hù)性。

改進(jìn)數(shù)字工具的集成

有許多示例可以說明如何使用可驗(yàn)證的機(jī)械模型計(jì)算影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)，例如溫度和速度場(chǎng)、冷卻速率、凝固形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模。這些參數(shù)很難通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，因?yàn)榫圩儏^(qū)的尺寸很小，而且溫度場(chǎng)具有很強(qiáng)的空間可變性和瞬態(tài)性。當(dāng)力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合時(shí)，可以揭示理解微觀結(jié)構(gòu)和性能演變的科學(xué)基礎(chǔ)。隨著使用機(jī)械模型的好處得到更廣泛的認(rèn)可，聲音部件打印參數(shù)的選擇將以科學(xué)原則為指導(dǎo)，從而避免耗時(shí)且昂貴的試錯(cuò)。

機(jī)器學(xué)習(xí)起源于數(shù)字技術(shù)，因此非常適合增材制造。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到流程規(guī)劃，再到生產(chǎn)監(jiān)控，再到將流程變量連接到產(chǎn)品屬性，機(jī)器學(xué)習(xí)將發(fā)揮比其當(dāng)前用途更重要的作用。視覺系統(tǒng)的集成數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可以在每一層的打印過程中收集數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)可以使用溫度場(chǎng)和材料狀態(tài)來減少生產(chǎn)錯(cuò)誤。微觀結(jié)構(gòu)和性能的控制可能是受機(jī)器學(xué)習(xí)影響的最重要的特征，因?yàn)槟壳斑€沒有可靠的方法從現(xiàn)象學(xué)的理解來預(yù)測(cè)金屬材料的復(fù)雜性能。由于相、晶粒和亞晶粒結(jié)構(gòu)、偏析元素、亞穩(wěn)相、非常細(xì)的氧化物和其他沉淀物以及晶界附近的高濃度位錯(cuò)的多樣性，增材制造金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。微觀結(jié)構(gòu)的這些不同特征使得微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)性變得復(fù)雜。當(dāng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和體積要求得到滿足并且對(duì)預(yù)測(cè)誤差采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)提供了一種潛在的替代方法，可以將微觀結(jié)構(gòu)與多種特性相關(guān)聯(lián)，并根據(jù)科學(xué)原理提高零件的適用性。

圖1. 傳統(tǒng)和增材制造后生產(chǎn)的不同鋼材的典型微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)加工條件，增材制造后可能會(huì)觀察到不同的微觀結(jié)構(gòu)。

圖2. Ti-6Al-4V的PBF-L在800mm/s、功率值120W、160W、360W時(shí)的(a)缺乏熔合空隙、(b)氣孔和(c)匙孔的形態(tài)。所有圖像的方向都是垂直的。

圖3. 使用閉環(huán)控制對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位控制的示例。在這里，電荷耦合器件(CCD)相機(jī)和紅外(IR)相機(jī)用于監(jiān)控AM過程。傳感信號(hào)被發(fā)送到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)向機(jī)器提供控制信號(hào)以調(diào)整工藝參數(shù)以進(jìn)行原位微觀結(jié)構(gòu)控制。