來(lái)源：3D打印技術(shù)參考

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近日，深圳大學(xué)劉志遠(yuǎn)、陳張偉教授聯(lián)合南方科技大學(xué)嚴(yán)明教授、香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士、北京科技大學(xué)呂昭平教授以及深圳技術(shù)大學(xué)楊燦副教授，共同發(fā)表了關(guān)于金屬增材制造過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變和多階段控制的綜述文章。3D打印技術(shù)參考注意到，相關(guān)作者均是本領(lǐng)域內(nèi)的知名學(xué)者，聯(lián)合發(fā)文的情況非常少見(jiàn)。

增材制造為生產(chǎn)具有特定部位微觀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)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(guò)程，即熔池的形成和結(jié)合，提出了綜合加工圖，將熔池能量和相關(guān)的工藝參數(shù)整合在一起?；谀毯臀诲e(cuò)理論，深入分析了多階段組織的形成機(jī)制，提出了多階段控制方法。此外，還簡(jiǎn)要討論了潛在的原子尺度結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)和合金成分來(lái)進(jìn)行增材制造的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的巨大潛力。該文有助于對(duì)增材制造過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行全面了解，不僅建立了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、調(diào)整材料的機(jī)械性能提供了有前景的指導(dǎo)方針。

增材制造過(guò)程形成分級(jí)顯微組織

基于熔池形成和結(jié)合過(guò)程的綜合加工圖，增材制造的分級(jí)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(guò)程，通過(guò)整合能量和工藝因素構(gòu)建了熔池行為的新加工圖，并劃分為四個(gè)區(qū)域：I. 缺乏結(jié)合，II. 未熔合，III. 過(guò)程窗口，IV. 鎖孔形成。穩(wěn)定的熔化和熔池的充分重疊是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(zhǎng)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(dāng)?shù)容S晶粒在液相中形核的速度超過(guò)柱狀固液前鋒推進(jìn)的速度時(shí)，發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。

（3）凝固后的微觀結(jié)構(gòu)包括亞微米級(jí)位錯(cuò)單元和納米級(jí)沉淀物。位錯(cuò)胞的物理起源是熱應(yīng)力刺激下的位錯(cuò)積累和聚集，這是由增材制造過(guò)程中不同層重復(fù)加熱過(guò)程中的循環(huán)膨脹和收縮形成的。此外，通過(guò)人為增加層間時(shí)間，可以加強(qiáng)本征熱處理，在已成型部分引發(fā)沉淀反應(yīng)。

（4） 由于增材制造過(guò)程中的快速冷卻，在原子尺度上獲得了過(guò)飽和固溶體，從而使金屬材料被額外強(qiáng)化。此外，當(dāng)固液界面從前向流動(dòng)逆轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在熔池后部留下額外的溶質(zhì)，形成一種獨(dú)特的偏析結(jié)構(gòu)。

增材制造帶來(lái)了前所未有的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由

根據(jù)位置調(diào)整材料特性，可以產(chǎn)生更有效的工程結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)功能集成的智能組件可以通過(guò)增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于單一金屬，通過(guò)增材制造過(guò)程中的熱歷史控制，已成功調(diào)整了局部結(jié)晶晶粒取向、晶粒尺寸和晶粒形態(tài)，分別如下圖(a-c)。

對(duì)于增材制造中的多材料位點(diǎn)特定微觀結(jié)構(gòu)，現(xiàn)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(zhuǎn)變。最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)包括兩種不同成分的合金，通過(guò)離散的過(guò)渡步驟結(jié)合在一起（d）。例如，具有離散界面的馬氏體時(shí)效鋼-銅和馬氏體時(shí)效鋼-低合金鋼雙金屬已經(jīng)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(guò)多（具有不同的微觀結(jié)構(gòu)）；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(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)（h）?？梢杂^察到，增材制造帶來(lái)了前所未有的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由。

從更廣泛的意義上講，工藝參數(shù)和合金成分是增材制造顯微組織的兩個(gè)決定性基本要素。在增材制造過(guò)程中，輸入能量對(duì)金屬粉末的熔化有直接影響，并通過(guò)熔池中的晶粒成核和生長(zhǎng)來(lái)決定最終的凝固微觀結(jié)構(gòu)。熔池的重疊引起循環(huán)熱處理，最終導(dǎo)致凝固后微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，包括位錯(cuò)單元和納米級(jí)沉淀物。此外，由于增材制造過(guò)程的間歇沉積方式，存在隱含的時(shí)間和殘余應(yīng)力因素，它們對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程也有顯著影響，因此需要更多關(guān)注。

從合金成分的角度來(lái)看，底層合金成分通過(guò)溶質(zhì)分布發(fā)揮內(nèi)在影響，導(dǎo)致冷卻過(guò)程中的成分過(guò)冷。具體而言，合金的溶劑原子在凝固過(guò)程中構(gòu)成基本的周期性晶格。溶質(zhì)原子是構(gòu)成過(guò)冷的起源，對(duì)晶粒形貌有重要影響?？梢蕴砑悠渌⒘吭匾赃M(jìn)一步調(diào)整3D打印金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。此外，可以在增材制造過(guò)程中通過(guò)成分修改來(lái)應(yīng)用相位控制。這些基本的加工和成分因素通過(guò)增材制造過(guò)程中的熱量和溶質(zhì)重新分布相互作用，共同控制增材制造的微觀結(jié)構(gòu)。因此，在未來(lái)的研究中需要采用綜合方法來(lái)發(fā)揮增材制造的巨大潛力。

注：本文轉(zhuǎn)自3D打印技術(shù)參考