南洋理工大学Scripta Mater：合金增材制造中的介观结构工程综述

一、导读

详细了解微观结构与材料力学性能之间的关系，并利用这些知识来设计具有理想性能组合的合金，是结构材料工程重要积累。在使用传统方法制造的合金中，通过调整化学成分或热机械加工步骤来控制微观结构。后者对于增材制造(AM)是不可用的，因为最终的近净部件是在一步中生产的。增材制造组件的一个关键特征来是它们的结构中出现了一个额外的长度尺度，与熔池大小成比例。这种长度尺度源于逐点、逐行、逐层“自下而上”的制造方法，这是增材制造技术(如激光粉末床熔合(LPBF)、直接能量沉积(DED)和电子束粉末床熔合(EBPBF))所独有的。确切的熔池大小取决于所采用的具体技术，但通常在中尺度范围内，这为微结构设计提供了新的自由度。虽然目前在增材制造合金的制造和表征(微观结构和机械)方面有相当大的进步，但利用这种设计工具来控制结构合金的细观结构的研究一直很少。这篇综述提出了用LPBF制造合金的不同例子，并指出未来的发展方向与重点。

二、综述内容

来自新加坡南洋理工大学的Upadrasta Ramamurty教授对3D打印的微观结构控制进行了重点阐述。增材制造 “自下而上”的制造方法——逐点、逐行、逐层—为合金设计师尚未充分利用的微结构和中观结构控制提供了一种新的工具。当使用预合金粉末时，可以通过选择加工参数来控制介观结构，或者通过使用混合粉末(“原位合金化”)来控制介观结构，从而改善打印部件的整体力学性能。本文综述了3D打印过程中不同合金组织以及织构的演变规律，并提出了相关控制方法，以达到定性定量调控组织，提高力学性能的目的。相关综述性论文以“Mesostructure engineering in additive manufacturing of alloys”为题发表在金属领域顶级期刊Scripta Materialia期刊上.

三、数据概览

图1 (a)激光粉末床熔合工艺示意图及其特点。(b) AlSi₁₀Mg合金的熔池和激光扫描轨迹。(c)扫描旋转为90°和67°时Ti64合金的细观组织。(d)在激光扫描轨迹附近观察到β-钛合金的均匀双态结构。(e) 316l不锈钢晶体织构的控制.© 2023 Elsevier

图2 (a) AlSi₁₀Mg合金熔池的SEM图像，可以看到三个不同区域的不同尺寸的胞状结构。(b) AlSi₁₀Mg合金致密拉伸试样表面裂纹沿熔池边界扩展。(c) EBSD取向图显示Al-Mn-Sc合金熔池边界附近的细晶粒。(d) Al-Mn-Sc合金粗、细晶粒界面附近出现裂纹钝化现象。© 2023 Elsevier

图3 (a) 316l不锈钢芯壳结构示意图和(b)取向图。(c)非均质和均质结构的工程应力-应变曲线。(d)分别在100 W和300 W激光功率下制备的β-钛合金单峰和双峰晶粒形貌。(e)图(d)中试样的加工硬化率-真应变图。© 2023 Elsevier

图4 (a)不同类型的粉末混合物示意图。(b)混合粉末制备的双相钢中FCC相和BCC相的EDS线扫描。(c) Ti-Nb合金中未熔化Nb颗粒诱导的带状细观结构。(d)一个熔池内化学偏析引起的相变化.© 2023 Elsevier

图5 (a)用SAF2205-22Cr和6wt .% Ni混合物制备的双相钢的取向图和(b)相图。(c)双相钢在不同条件下的拉伸性能。(d) Ti64−316l合金的相图和(e)取向图，316l在2-6wt .%范围内变化。(f) Ti64−316l合金中合金的拉伸性能.© 2023 Elsevier

论文详情：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115429

本文由虚谷纳物供稿