多位知名學者聯合綜述:金屬增材制造過程中的微觀結構演變和多階段控制(轉)

閱讀次數:299     發布時間:2021-09-27

來源:3D打印技術參考

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近日,深圳大學劉志遠、陳張偉教授聯合南方科技大學嚴明教授、香港城市大學呂堅院士、北京科技大學呂昭平教授以及深圳技術大學楊燦副教授,共同發表了關于金屬增材制造過程中微觀結構演變和多階段控制的綜述文章。3D打印技術參考注意到,相關作者均是本領域內的知名學者,聯合發文的情況非常少見。


增材制造為生產具有特定部位微觀結構的先進金屬材料提供了極大的自由,該文章探討了金屬3D打印的基本過程,即熔池的形成和結合,提出了綜合加工圖,將熔池能量和相關的工藝參數整合在一起?;谀毯臀诲e理論,深入分析了多階段組織的形成機制,提出了多階段控制方法。此外,還簡要討論了潛在的原子尺度結構特征。通過調整工藝參數和合金成分來進行增材制造的微觀結構設計,以實現該技術的巨大潛力。該文有助于對增材制造過程中微觀結構演變進行全面了解,不僅建立了一個堅實的微觀結構框架,更為采用金屬3D打印在需要的位置得到特定的微觀結構、調整材料的機械性能提供了有前景的指導方針。

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增材制造過程形成分級顯微組織



基于熔池形成和結合過程的綜合加工圖,增材制造的分級顯微組織可分為凝固組織和后凝固組織。


(1)基于增材制造的基本過程,通過整合能量和工藝因素構建了熔池行為的新加工圖,并劃分為四個區域:I. 缺乏結合,II. 未熔合,III. 過程窗口,IV. 鎖孔形成。穩定的熔化和熔池的充分重疊是生產優質金屬部件的必要條件。


(2)凝固組織包括從先前沉積的襯底外延生長的初生柱狀晶粒和沿晶界析出的第二相。初生晶粒的大小由溫度梯度和凝固速度的乘積決定。當等軸晶粒在液相中形核的速度超過柱狀固液前鋒推進的速度時,發生柱狀晶向等軸晶的轉變。

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(3)凝固后的微觀結構包括亞微米級位錯單元和納米級沉淀物。位錯胞的物理起源是熱應力刺激下的位錯積累和聚集,這是由增材制造過程中不同層重復加熱過程中的循環膨脹和收縮形成的。此外,通過人為增加層間時間,可以加強本征熱處理,在已成型部分引發沉淀反應。


(4) 由于增材制造過程中的快速冷卻,在原子尺度上獲得了過飽和固溶體,從而使金屬材料被額外強化。此外,當固液界面從前向流動逆轉時,會在熔池后部留下額外的溶質,形成一種獨特的偏析結構。

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增材制造帶來了前所未有的微觀結構設計自由



根據位置調整材料特性,可以產生更有效的工程結構。因此,結構功能集成的智能組件可以通過增材制造來實現。對于單一金屬,通過增材制造過程中的熱歷史控制,已成功調整了局部結晶晶粒取向、晶粒尺寸和晶粒形態,分別如下圖(a-c)。


對于增材制造中的多材料位點特定微觀結構,現階段的一些可能組合如(d-h)所示,其中單一顏色代表單一合金,混合顏色代表從一種合金到另一種合金的冶金轉變。最簡單的結構包括兩種不同成分的合金,通過離散的過渡步驟結合在一起(d)。例如,具有離散界面的馬氏體時效鋼-銅和馬氏體時效鋼-低合金鋼雙金屬已經使用 SLM 成功制造。(e)顯示了從一種合金到另一種合金的逐漸過多(具有不同的微觀結構);或者,材料組合物可以在不同位置的兩種成分之間切換,如(f) 所示。在其他應用中,可能需要或甚至必須具有三種或更多種組合物 (g)。此外,可以將額外的顆粒添加到基體合金中以形成復合結構(h)??梢杂^察到,增材制造帶來了前所未有的微觀結構設計自由。

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從更廣泛的意義上講,工藝參數和合金成分是增材制造顯微組織的兩個決定性基本要素。在增材制造過程中,輸入能量對金屬粉末的熔化有直接影響,并通過熔池中的晶粒成核和生長來決定最終的凝固微觀結構。熔池的重疊引起循環熱處理,最終導致凝固后微觀結構的構建,包括位錯單元和納米級沉淀物。此外,由于增材制造過程的間歇沉積方式,存在隱含的時間和殘余應力因素,它們對微觀結構演化過程也有顯著影響,因此需要更多關注。


從合金成分的角度來看,底層合金成分通過溶質分布發揮內在影響,導致冷卻過程中的成分過冷。具體而言,合金的溶劑原子在凝固過程中構成基本的周期性晶格。溶質原子是構成過冷的起源,對晶粒形貌有重要影響??梢蕴砑悠渌⒘吭匾赃M一步調整3D打印金屬材料的微觀結構和機械性能。此外,可以在增材制造過程中通過成分修改來應用相位控制。這些基本的加工和成分因素通過增材制造過程中的熱量和溶質重新分布相互作用,共同控制增材制造的微觀結構。因此,在未來的研究中需要采用綜合方法來發揮增材制造的巨大潛力。


注:本文轉自3D打印技術參考


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