南洋理工&劍橋大學Nature子刊丨可調控微觀組織和性能的合金增材制造技術

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

在材料學中，人們常常采用機械和熱工藝相結合的方法，在塑造材料的形狀的同時，調節(jié)材料的微觀結構和機械性能。比如，可以通過控制金屬鍛造和擠壓過程中的機械應變量，利用位錯的積累來硬化材料，或者在熱處理 (HT) 時產(chǎn)生微觀結構的再結晶，這是一種消除缺陷的晶粒成核和生長的過程，可以提高材料的韌性和各向同性。然而，這種傳統(tǒng)的“加熱和敲擊”方法在使用現(xiàn)代增材制造(AM)技術時就不再適用了。增材制造可以將材料逐層疊加，制造出具有復雜幾何形狀的近凈成形零件。由于微觀結構和幾何形狀在增材制造過程中幾乎同時形成，因此很難在不改變零件外形的前提下調控其微觀結構。

為了解決這一難題，新加坡南洋理工大學機械與航空航天工程學院的Huajian Gao教授和劍橋大學工程系的Matteo Seita博士進行了創(chuàng)新性的研究，展示了如何通過控制激光粉末床熔融（LPBF）技術產(chǎn)生的合金的位錯密度和熱穩(wěn)定性，來規(guī)避這一限制。他們通過控制合金的凝固組織，實現(xiàn)了在不使用機械變形的情況下，通過設計熱處理來產(chǎn)生再結晶。

在特定的條件下，這種策略可以設計和成形復雜的微觀結構，將具有不同微觀結構特征和性能的再結晶區(qū)域和非再結晶區(qū)域相結合。該研究還發(fā)現(xiàn)，這種微觀結構的異質性可能有助于提升材料的性能，相比于單一的微觀結構更優(yōu)。這項研究展示了一種先進的方法，能夠同時直接控制多個微觀結構特征的演化，從而拓展了具有優(yōu)化的機械和物理性能的工程材料的設計空間。

圖1.316L不銹鋼( SS316L )的激光粉末床熔融( LPBF )可控熱穩(wěn)定性

圖2.通過改變激光掃描間距來調節(jié)再結晶的驅動力

圖3.通過重熔來調控凝固組織

圖4.316L不銹鋼( SS316L )激光粉末床熔融過程中的X射線衍射實驗

通過改變激光掃描間距來改變再結晶的驅動力，研究人員證明了其對微觀結構的控制能力。再結晶導致的晶體織構、晶粒結構和晶界特征分布的差異也可能激發(fā)其他微觀結構設計，從而獲得優(yōu)異的性能或新穎的功能。例如，可編程的、位點特定的再結晶可用于優(yōu)化材料對因疲勞或氫脆導致的失效的抵抗力。在這方面，研究人員期望這一策略適用于其他材料。

總的來說，該工作開辟了設計金屬零件的方法，這些零件不僅具有微觀結構優(yōu)化的特性，還具有形狀復雜性帶來的拓撲優(yōu)化性能。

這些突破性的研究成果已經(jīng)以題為《Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties》發(fā)表在頂級學術期刊《Nature Communications》上。
論文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42326-y

Gao, S., Li, Z., Van Petegem, S. et al. Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties. Nat Commun 14, 6752 (2023).