增材頂刊：揭示激光粉末床熔合金屬顯微組織形成過程中局部化學與塑性的相互作用

來源：材料學網(wǎng)

導讀：金屬部件的增材制造 (AM) 與傳統(tǒng)的粉末或熔化冶金制造工藝相比，具有許多優(yōu)勢，表征微觀結構和機械性能之間的關系仍然是這項新技術的主要挑戰(zhàn)之一。我們結合了 AISI 316L 不銹鋼的單道激光粉末床熔合 (LPBF) 掃描的實驗研究、有限元分析、和大規(guī)模的三維離散位錯動力學模擬，以提供對導致在增材制造金屬中形成異質缺陷結構的潛在機制的獨特理解。我們的研究結果表明，凝固胞壁位錯滑移的中斷是形成胞狀位錯結構的原因，突出了溶質偏析對增材制造部件塑性變形的重要性。這項工作為異質微結構形成提供了視角，并為可靠預測增材制造零件的最終機械性能開辟了潛力。

為了克服傳統(tǒng)制造帶來的設計和靈活性限制，金屬部件的增材制造 (AM) 已經(jīng)發(fā)展成為一種直接從點到點和逐層構建三維 (3D) 組件的技術一個數(shù)字模型。其中一種技術是激光粉末床融合 (LPBF)，它使用高能激光熔化和重新固化金屬粉末，以構建具有高分辨率的復雜組件。對于組合的實驗和模擬方法，會出現(xiàn)各種挑戰(zhàn)。首先，確定足以代表潛在 LPBF 過程的基本物理量，其次，在涉及高溫、熱誘導殘余應力和凝固誘導的具有挑戰(zhàn)性的熱和化學環(huán)境中以物理上有意義的方式捕獲位錯遷移率和相互作用合金原子的偏析。因此，316 SS 中單道 LPBF 掃描的實驗研究通過對誘導的瞬態(tài)熱機械應力的宏觀有限元 (FEM) 分析和冷卻階段微觀結構演變的 DDD 模擬得到增強，包括局部、空間變化的化學環(huán)境。

然而，人們對化學環(huán)境、微觀結構和機械性能之間的關系知之甚少，這阻礙了對 LPBF 制造零件的機械性能進行可靠的預測和定制。隨著增材制造正在朝著新的制造范式發(fā)展，對增材制造材料的工藝-微觀結構-性能之間聯(lián)系的預測能力變得越來越必要。設計微觀結構是控制所需機械性能的一種方法，但是需要確定制造對微觀結構演變的影響。LPBF 制造零件的位錯微觀結構和機械性能之間的聯(lián)系只能通過在機械水平上根據(jù) LPBF 加工過程中的熱和化學環(huán)境對觀察到的微觀結構演變提供可理解的解釋來實現(xiàn)。由于特有的空間和時間過程機制，使用純實驗方法限制了在原位跟蹤單個位錯水平上的微觀結構演變的能力，因此通常需要事后方法進行解釋。

為了正確表示由 LPBF 過程的高度瞬態(tài)、多尺度、熱彈塑性性質引起的固有復雜性，美國約翰霍普金斯大學采用了一種集成的實驗數(shù)據(jù)驅動和計算引導的方法。三維 (3D) 離散位錯動力學 (DDD) 模擬用于提供對凝固誘導的溶質偏析對位錯系演化的影響的獨特理解。通過考慮在 AISI 316L SS 中單道 LPBF 掃描后冷卻階段局部化學和位錯可塑性之間的相互作用，我們捕獲了導致實驗無法獲得的位錯亞結構形成的基本微觀結構過程。相關研究成果以題“The interplay of local chemistry and plasticity in controlling microstructure formation during laser powder bed fusion of metals”發(fā)表在增材頂刊additive manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... S2214860422001932#!

研究結果表明，316L AISI不銹鋼LPBF凝固細胞壁中Mo、Cr等重元素胞狀偏析的存在與平行于(100)取向的位錯壁圖的形成之間存在著一定的關系。雖然在快速冷卻過程中，由于收縮的限制而產(chǎn)生的顯著殘余應力導致了彌散位錯胞的形成，這與沒有凝固胞時的實驗觀察結果一致，但這些位錯結構與圖狀(100)排列的位錯胞明顯不同。它們與凝固細胞一起形成，即使是在單一的LPBF軌道上。因此，可以得出結論，僅基于熱機械應力的機制不能充分解釋在AISI 316L LPBF中觀察到的明確的胞狀結構的形成。相反，從大規(guī)模3D DDD模擬中可以明顯看出，(100)排列的位錯壁的觀察是由偏析溶質原子打斷位錯滑移所驅動的，導致在冷卻過程的后期階段增強了交叉滑移和位錯相互作用。這一結論與實驗觀察到的化學偏析域的細胞位錯結構相一致。

圖 1。800 nm的3D DDD 模擬中凝固單元壁的幾何結構示意圖；和b , a 中 1600 nm 細胞壁間距103μ米3模擬體積，c，53μ米3具有 800 nm 細胞壁間距的 DDD 模擬，以及d，在體積的下半部分具有隔離壁的模擬的幾何形狀和初始位錯結構。a - c中的彩色線顯示了第一個模擬步驟后的位錯微觀結構，其中不同的顏色代表不同的滑移系統(tǒng)�；疑�平面示意性地表示溶質分離壁的中心平面的位置。（有關此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡版本。）

圖 2。AISI 316L 不銹鋼單次掃描 LPBF 后同一晶粒內不同亞結構的形成。a , 靠近熔池邊界 (FZB) 的橫截面 (插圖) 的放大掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像，由實線白線表示，它界定了熔池。這-axis 對應于激光掃描方向，而負-軸對應于激光束方向。白色虛線表示晶界。b，電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF）圖，對應于顯示單個晶粒中不同可見結構跡線的結晶取向的SEM圖像。c，來自具有以下區(qū)域的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像-trace（頂部）和-跟蹤（底部）。

圖 3。單軌 LPBF 處理過程中的溫度曲線和殘余應力，如 FEM 模擬所預測的那樣。a，溫度的預測 3D 輪廓；和b，單道 LPBF 處理過程中的 von Mises 應力分布。由于對稱性-方向，只顯示系統(tǒng)的一半。超過 1700 K 的熔化溫度 （參見第 2.2節(jié)）的溫度顯示為黃色。c ， a中虛線所示截面上預測溫度的等高線。d，溫度、von Mises 應力以及在掃描方向和法線方向上的應力分量作為時間的函數(shù)，在c中用“*”表示的點處。這-axis 對應于激光掃描方向，而負-軸對應于激光束方向。（有關此圖例中顏色參考的解釋，請讀者參考本文的網(wǎng)絡版本。）

圖 4。凝固后和冷卻過程中溫度相關的溶質偏析引起位錯結構的形成。預測的位錯結構的自相關函數(shù)米不同溫度下的 3D DDD 模擬（參見補充圖 S4）。這-,- 和-軸對應于,和水晶方向。a , 2D 等高線圖顯示使用平均局部位錯密度的自相關函數(shù)的幅度-方向（參見補充圖S5），其中僅考慮超過全體積平均密度15％以上的局部密度。b , 類似于a , 但對于沿-方向。

圖 5。細胞凝固對位錯結構排列的影響。

圖 6。具有蜂窩狀和非蜂窩狀凝固結構的單個晶粒中的位錯結構排列。a，低（上）和高（下）分辨率的顆粒的 EBSD-IPF 圖，兩者都有和型表面結構（也參見圖2）。b 700 K 后預測的位錯結構，來自 3D DDD 模擬，模擬如圖所示的晶粒的晶體取向。以黑色表示的平面示意性地表示分離域和未分離域之間的分離。c , 平均局部位錯密度相對于全體積平均密度沿-從包含凝固單元和未偏析域的位錯微觀結構部分提取的方向�；疑�虛線表示溶質偏析壁的中心平面沿-方向和黑線表示分離分離域和分離域的平面的交點。d，二維等高線圖顯示了自相關函數(shù)的幅度，使用c中的位錯密度圖將未分離（底部）與分離（頂部）域隔離開來。

總之，本文通過對殘余應力和胞狀凝固引起的位錯組織來源的機理研究，為可靠地預測LPBF合金的力學性能提供了基礎。對殘余應力和溶質偏析之間相互作用的理解將使獨特的物理信息晶體塑性模擬的發(fā)展。例如，預測的胞狀位錯微觀結構可以用來估計非均勻的內應力分布，從而為將胞狀結構的強化效應納入連續(xù)尺度模型提供了更多的物理基礎。此外，位錯微觀結構的演化本身可以用來提供基于位錯的塑性連續(xù)體理論。因此，這項工作可以通過多尺度材料建�？蚣茉O計出具有優(yōu)異力學性能的新型增材制造材料。