南洋理工大學Scripta Mater：合金增材制造中的介觀結構工程綜述

一、導讀

詳細了解微觀結構與材料力學性能之間的關系，并利用這些知識來設計具有理想性能組合的合金，是結構材料工程重要積累。在使用傳統方法制造的合金中，通過調整化學成分或熱機械加工步驟來控制微觀結構。后者對于增材制造(AM)是不可用的，因為最終的近凈部件是在一步中生產的。增材制造組件的一個關鍵特征來是它們的結構中出現了一個額外的長度尺度，與熔池大小成比例。這種長度尺度源于逐點、逐行、逐層“自下而上”的制造方法，這是增材制造技術(如激光粉末床熔合(LPBF)、直接能量沉積(DED)和電子束粉末床熔合(EBPBF))所獨有的。確切的熔池大小取決于所采用的具體技術，但通常在中尺度范圍內，這為微結構設計提供了新的自由度。雖然目前在增材制造合金的制造和表征(微觀結構和機械)方面有相當大的進步，但利用這種設計工具來控制結構合金的細觀結構的研究一直很少。這篇綜述提出了用LPBF制造合金的不同例子，并指出未來的發展方向與重點。

二、綜述內容

來自新加坡南洋理工大學的Upadrasta Ramamurty教授對3D打印的微觀結構控制進行了重點闡述。增材制造 “自下而上”的制造方法——逐點、逐行、逐層—為合金設計師尚未充分利用的微結構和中觀結構控制提供了一種新的工具。當使用預合金粉末時，可以通過選擇加工參數來控制介觀結構，或者通過使用混合粉末(“原位合金化”)來控制介觀結構，從而改善打印部件的整體力學性能。本文綜述了3D打印過程中不同合金組織以及織構的演變規律，并提出了相關控制方法，以達到定性定量調控組織，提高力學性能的目的。相關綜述性論文以“Mesostructure engineering in additive manufacturing of alloys”為題發表在金屬領域頂級期刊Scripta Materialia期刊上.

三、數據概覽

圖1 (a)激光粉末床熔合工藝示意圖及其特點。(b) AlSi₁₀Mg合金的熔池和激光掃描軌跡。(c)掃描旋轉為90°和67°時Ti64合金的細觀組織。(d)在激光掃描軌跡附近觀察到β-鈦合金的均勻雙態結構。(e) 316l不銹鋼晶體織構的控制.? 2023 Elsevier

圖2 (a) AlSi₁₀Mg合金熔池的SEM圖像，可以看到三個不同區域的不同尺寸的胞狀結構。(b) AlSi₁₀Mg合金致密拉伸試樣表面裂紋沿熔池邊界擴展。(c) EBSD取向圖顯示Al-Mn-Sc合金熔池邊界附近的細晶粒。(d) Al-Mn-Sc合金粗、細晶粒界面附近出現裂紋鈍化現象。? 2023 Elsevier

圖3 (a) 316l不銹鋼芯殼結構示意圖和(b)取向圖。(c)非均質和均質結構的工程應力-應變曲線。(d)分別在100 W和300 W激光功率下制備的β-鈦合金單峰和雙峰晶粒形貌。(e)圖(d)中試樣的加工硬化率-真應變圖。? 2023 Elsevier

圖4 (a)不同類型的粉末混合物示意圖。(b)混合粉末制備的雙相鋼中FCC相和BCC相的EDS線掃描。(c) Ti-Nb合金中未熔化Nb顆粒誘導的帶狀細觀結構。(d)一個熔池內化學偏析引起的相變化.? 2023 Elsevier

圖5 (a)用SAF2205-22Cr和6wt .% Ni混合物制備的雙相鋼的取向圖和(b)相圖。(c)雙相鋼在不同條件下的拉伸性能。(d) Ti64?316l合金的相圖和(e)取向圖，316l在2-6wt .%范圍內變化。(f) Ti64?316l合金中合金的拉伸性能.? 2023 Elsevier

論文詳情：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115429

本文由虛谷納物供稿