金屬增材制造 (Additive Manufacturing, AM) 技術(shù)可以生產(chǎn)任意三維形狀的金屬/合金材料，包括不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金等。激光粉末床熔合 (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 作為一種典型的金屬 AM 工藝，具有冷卻速度快、溫度梯度大等特點(diǎn)，因此吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。

由于針對(duì)增材制造相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響及其與力學(xué)性能關(guān)系研究還不夠系統(tǒng)，因此來(lái)自日本大阪大學(xué)的 Takayoshi Nakano 教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合日本川崎重工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)研究所的 Shinya Hibino 研究員在 Crystals 發(fā)表了文章，研究考察了不同 LPBF 工藝參數(shù)對(duì)典型鎳基固溶強(qiáng)化合金哈氏合金晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，討論了微觀熔體單元的微觀組織演變。本研究為合成具有目標(biāo)微觀組織特征和相關(guān)性能的金屬材料，提供了最佳的LPBF工藝參數(shù)探究指南。

▲原文出自 Crystals 期刊

論文鏈接：https://www.mdpi.com/2073-4352/11/9/1064

研究方法

作者采用 LPBF 工藝制備了哈氏 X 樣品，并利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM) 和粒度分析儀 (Mastersizer 3000) 測(cè)定了粒徑分布 (圖 1)，此外還采用粉末流變儀 (REVOLUTION Powder Analyzer, RPA) 測(cè)量了粉體的流動(dòng)性。

圖 1. (a) 哈氏 X 粉末的掃描電子顯微鏡圖像和 (b) 樣品實(shí)物圖。

本研究還對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，包括利用 FE-SEM 所配備的電子背向散射衍射 (Electron Backscatter Diffraction, EBSD) 對(duì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，利用 HKL Channel 5 分析軟件獲得反極圖 (Inverse Pole Figure, IPF)、極圖、晶界圖和歐拉角。作者對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試時(shí)使用了基于自由共振彈性模量測(cè)量方法，并采用 Autograph 測(cè)量?jī)x和 TrapeziumX-V 軟件對(duì)其拉伸性能進(jìn)行了測(cè)量和分析。

研究結(jié)果

圖2為體積能量密度 (Evol) 對(duì)樣品密度的影響：當(dāng) Evol 小于 35 J/mm3 時(shí)，材料密度迅速下降并出現(xiàn)未融合缺陷；當(dāng) Evol 超過(guò) 95 J/mm3 時(shí)，材料密度下降緩慢并出現(xiàn)小孔型球形缺陷 (氣體孔隙)。因此，哈氏合金樣品致密化的最佳 Evol 工藝參數(shù)為 35~95 J/mm3。

圖 2. 體積能量密度與樣品密度關(guān)系示意圖 (Evol 小于 35 J/mm3 時(shí)，材料密度迅速下降并出現(xiàn)未融合缺陷；當(dāng) Evol 超過(guò) 95 J/mm3 時(shí)，材料密度下降緩慢并出現(xiàn)氣體孔隙)。

圖 3 為基于 X 掃描所獲得的 IPF 圖和極點(diǎn)圖。研究結(jié)果表明：在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，存在四類(lèi)不同的晶體結(jié)構(gòu)，包括：

取向的單晶狀微觀結(jié)構(gòu)、層狀微觀結(jié)構(gòu)、

取向的單晶狀微觀結(jié)構(gòu)和隨機(jī)取向的多晶微觀結(jié)構(gòu)。

圖 3. (a) 典型工藝參數(shù)的 IPF 圖和 (b) 極點(diǎn)圖 (x-掃描 d=0.10 mm)。

通過(guò)楊氏模量測(cè)量，作者團(tuán)隊(duì)還研究了采用 LPBF 工藝獲得的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)樣品力學(xué)性能的影響，晶體結(jié)構(gòu)的取向度與測(cè)得的楊氏模量之間的關(guān)系如圖 4 所示。

圖 4. 晶體取向參數(shù)與楊氏模量的關(guān)系，箭頭 (a-d) 與右圖序號(hào)對(duì)應(yīng)。

不同晶體結(jié)構(gòu)哈氏合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 5 所示。研究還針對(duì)不同晶體結(jié)構(gòu)哈氏合金的拉伸性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果說(shuō)明基于 LPBF 工藝制成的合金可用于實(shí)際的生產(chǎn)制造。

圖 5. 四種典型晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

作者還針對(duì)微觀熔體單元的微觀組織演變開(kāi)展了研究 (圖 6)，并對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和抗蠕變、抗疲勞和抗氧化特性之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了討論和展望。

圖 6. 熔體單元形狀和晶胞生長(zhǎng)方向的 SEM 圖像。

總結(jié)討論

本文詳細(xì)研究并討論了不同工藝參數(shù)對(duì)哈氏合金的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：

(1) 在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)體積能量密度為 35~95 J/mm3 時(shí)，可以得到致密的樣品 (其晶體結(jié)構(gòu)可分為四類(lèi))；

(2) 采用 LPBF 法獲得樣品的楊氏模量具有各向異性，并且可以通過(guò)控制工藝參數(shù)獲得具有理想力學(xué)性能的樣品；

(3) 哈氏合金的拉伸性能會(huì)受到晶粒尺寸、晶界 (片層晶界) 存在的影響；

(4) 在 LPBF 工藝過(guò)程中，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)能夠獲取目標(biāo)晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到具有相應(yīng)力學(xué)性能的材料。

論文作者還對(duì)基于微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的抗蠕變、抗疲勞和抗氧化材料涉及進(jìn)行了展望。本研究為合成具有目標(biāo)微觀組織特征和相關(guān)性能的金屬材料，提供了最佳的 LPBF 工藝參數(shù)探究。