惊艳！Nature发布合金增材制造技术实现对微结构特征的直接控制

  导读：在冶金学中，机械变形对于设计金属的微观结构和调整其力学性能是必不可少的。然而，这样的做法不适用于增材制造( AM )生产的近净成形金属零件，因为这将不可避免地损害其精心设计的几何形状。本文展示了如何经过控制激光粉末床熔融( LPBF )技术生产的合金位错密度和耐热性来克服这一限制。通过操纵合金的凝固组织，可以在不用机械变形的情况下设计热处理、再结晶。当采用特定的部位时，我们的策略能够设计和创建复杂的微观结构，将具有不一样微观结构特征和性能的再结晶和非再结晶区域结合起来。我们展示了这种不均匀性如何可能有利于具有与具有整体微结构的材料相比的优越性能。我们的工作为利用增材制造技术设计具有人工微结构的高性能金属零件提供了启发。

  在我们的社会中使用的许多金属制造技术都依赖于机械和热过程的组合，将材料塑造成所需的几何形状，并同时设计其微观结构和性能。例如，在金属的锻造和挤压过程中引入的机械应变能够最终靠位错积累来控制材料的硬化，或者在热处理( HT )时触发微观组织再结晶：一种新的无缺陷晶粒成核和生长的现象，由此产生更高的韧性和更各向同性的机械性能。

  这种自青铜时代以来一直使用的原型热和节拍方法，在使用现代增材制造( AM )技术时被打破了。增材制造( AM )又称三维打印( 3D )，可以将材料逐层连接在一起，生产出几何复杂度从未有过的近净成形零件。由于材料和几何形状是在增材制作的完整过程中同时形成的，因此不可能通过对固体的进一步机械加工来驱动可控的微观结构变化，而不会无可挽回地损害零件的复杂形状。因此，与传统的制造方法相比，增材制造提供了更少的机会来控制金属的微观结构和调整它们的性能。因此，大量的研究集中于设计旨在优化打印微结构的增材制造工艺。

  在这里，新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院的Huajian Gao与剑桥大学工程系的Matteo Seita进行了本次研究，展示了如何在不依赖机械变形的情况下控制增材制造不锈钢的微观组织演变。利用激光粉末床熔融( LPBF )技术，我们设计了加工策略来规划打印态合金的耐热性，从而能够事先确定材料的微观结构将如何随HT而演变。这些策略恢复了传统金属加工所提供的一些微观组织控制能力。更重要的是，它们允许通过编程合金的微观结构来创建新材料，特别是在3D和高空间分辨率下。金属的位点特异性微结构控制是AM最独特和最吸引人的能力之一。我们的策略展示了这一先进方法，通过实现对多种微结构特征演变的直接控制，拓宽了具有优化力学和物理性能的工程材料的设计空间。相关研究成果以“Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties”为题，发表在Nature Communications上。

  a由LPBF生产的金属样品的示意截面图，它显示了熔池和由此产生的热影响区( HAZ )。b，c电子背散射衍射图显示晶体取向( IPF ,逆极图)沿构建方向( BD )，内核平均取向差( KAM )和晶界( GB )特征分布在热处理的H - SS316L和L - SS316L中。HAGB、LAGB和TB分别代表大角度晶界、小角度晶界和孪晶界。SD代表扫描方向。d，e KAM图分别说明了在构建平面内和沿BD方向上对再结晶的位点特异性控制。( d )中的二进制代码代表 AM 。

  a光学显微照片显示了我们样品中熔池的排列。b通过EBSD和通过有限元模型( FEM )获得的累积塑性应变来估计几何必需位错( GND )密度。该值参考已构建的SS316L样品。本工作中实验熔池宽度( w )为70 µ m。c使用35 µ m ( h = 35 µ m)的间距生产的SS316L样品的上表面横截面EBSD KAM图和中心区域的俯视KAM图。黄色曲线表示熔池边界。d KAM图突出了使用h = 35 µ m和h = 10 µ m产生的样品之间晶体取向差分布的差异，分别对应于( b )中的第一个和最后一个数据点(封闭在虚圆内)。

  a非物理性腐蚀的SS316L的扫描电子显微图像显示了与样品表面相交的凝固细胞的形态。溶质富集的晶胞边界从(从而在显微照片中呈现明亮的)表面凸出，因为它们比基体更耐化学腐蚀。b扫描透射电子显微镜( STEM )分析了晶胞边界的内部结构，显示出高的位错密度。c，d能量色散谱( EDS ) STEM测量比较了未激光重熔和激光重熔后的两个h10样品(采用10 µ m的舱口间距)的溶质分布。

  图4为316L不锈钢( SS316L )激光粉末床熔化过程中的X射线衍射实验。

  a反射模式下的操作实验示意图。SD代表激光扫描方向。b单层SS316L激光扫描过程中衍射图样随时间的演化。c温度剖面随时间的变化，对应于h = 20 µ m和h = 40 µ m两种不同的开口间距和熔池宽度之间的比例。d温度剖面与第一层和第二层激光扫描有关。( c )和( d )中的测量是根据( 220 )衍射峰的偏移计算得到的。为了可视化的目的，对( c )和( d )中的温度曲线进行了时间平移。

  在本工作中，我们关注于利用我们的LPBF策略来设计SS316L的机械性能，以编程SS316L的耐热性，并创建分层的微结构架构。个人会使用这些结果作为我们微观结构调控潜力的证明。然而，由再结晶引起的晶体学织构、晶粒结构和晶界特征分布的差异也可能启发其他微结构设计，因此导致更优越的性能或新的功能。可编程、定点再结晶可用于优化材料的抗疲劳性能或抗氢脆性能。在这方面，我们大家都希望我们的策略适用于许多其他材料，因为它依赖于对LPBF产生的金属合金中都会存在的微观结构特征的控制- -即凝固时的位错积累和元素微观偏析。我们的工作为设计具有微结构优化性能的金属零件开辟了道路，同时还具有由形状复杂性带来的广为人知的拓扑优化性能。