粉末粒徑可以控制增材制造合金微觀結(jié)構(gòu)

來(lái)源：增材金屬粉末新視野

通常情況下，增材制造金屬材料的微觀組織是由打印工藝參數(shù)所控制的，然而一項(xiàng)顛覆性的研究報(bào)道，發(fā)現(xiàn)粉末粒徑竟然也可以實(shí)現(xiàn)微觀組織調(diào)控！

在金屬增材制造中，微觀結(jié)構(gòu)控制是實(shí)現(xiàn)卓越和定制機(jī)械性能的關(guān)鍵。如何在增材制造的快速凝固過(guò)程完成柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)變是增材制造技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。

來(lái)自南洋理工大學(xué)的Shubham Chandra等研究人員在nature communications雜志上報(bào)告了一種粉末粒徑驅(qū)動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)控制，即通過(guò)觸發(fā)粉末尺寸對(duì)增材制造的316L不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)的反直覺(jué)響應(yīng)，展示了晶粒形貌的簡(jiǎn)單和大規(guī)�？刂�。

粉末粒度驅(qū)動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控方法
研究人員在該方法下，使用細(xì)粉獲得粗晶或近單晶微觀結(jié)構(gòu)，使用粗粉獲得近等軸細(xì)晶(<10 μm)微觀結(jié)構(gòu)。

這種方法在不增加成本的情況下，對(duì)定向能沉積和粉末床熔合具有豐富的適應(yīng)性，其中粉末流預(yù)熱效應(yīng)和粉末床熱物理性質(zhì)決定了微觀結(jié)構(gòu)的變化。

這項(xiàng)工作為利用原料粒度分布實(shí)現(xiàn)更可控、更具成本效益和可持續(xù)的金屬增材制造提供了一條途徑。

3D 打印 SS316L 微觀結(jié)構(gòu)中粉末力度驅(qū)動(dòng)的晶粒形態(tài)和尺寸控制

熔池結(jié)構(gòu)與DED過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控

△SS316 L 的 DED 打印單軌中的熔池結(jié)構(gòu)

△DED 過(guò)程中粉末力度驅(qū)動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)控制

機(jī)器學(xué)習(xí)框架在粉末床性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
用于預(yù)測(cè)粉末粒度對(duì)燒結(jié)粉末床熱物理性能影響的機(jī)器學(xué)習(xí)框架。

粉末粒度工程在E-PBF工藝和樣品性能中的應(yīng)用

粉末粒度驅(qū)動(dòng)的熔池工程應(yīng)用于 E-PBF 工藝，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和大規(guī)模的晶粒控制

△E.  PBF 和 L-DED 制造的細(xì)粉和粗粉樣品的機(jī)械響應(yīng)

微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)機(jī)械性能的影響

在熔池凝固過(guò)程中，伴隨著柱狀到等軸晶的快速、大規(guī)模的組織控制。

在這項(xiàng)工作中，在L-DED和E-PBF中都發(fā)現(xiàn)了柱狀到等軸晶的轉(zhuǎn)變，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈的轉(zhuǎn)變，晶粒尺寸比E-PBF沉積的SS316L精細(xì)約3倍。

等軸微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各向同性力學(xué)響應(yīng)，其極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別比孿晶誘導(dǎo)塑性產(chǎn)生的粗柱狀微觀結(jié)構(gòu)高17%和62%。

是一種新的控制3D打印金屬部件晶粒微觀結(jié)構(gòu)的低成本且可持續(xù)的方法。

在兩種主流的PF-AM技術(shù)中，關(guān)于原料粉末粒度對(duì)熔池幾何形狀的影響的觀察可以證明在進(jìn)一步擴(kuò)大金屬AM的材料范圍方面是富有成效的。

原理解釋與工藝差異分析

在L-DED過(guò)程中，顆粒的大小決定了其在激光輻照區(qū)的流動(dòng)，因此其預(yù)熱作為熔池的二次熱源。

而在E-PBF過(guò)程中，粉末床層熱物理性質(zhì)的變化驅(qū)動(dòng)了微觀組織的轉(zhuǎn)變。

該項(xiàng)工作開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)框架也突出了粉末尺寸與粉末床熱物理性質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系。

此外，建議需要進(jìn)行大量研究以探索比當(dāng)前規(guī)范更大的顆粒尺寸。

應(yīng)用前景與結(jié)論
該項(xiàng)工作不僅證明了顆粒原料的粉末粒度對(duì)AM微觀結(jié)構(gòu)的影響，而且還探索了它可以產(chǎn)生特定位點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單控制，即幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的晶粒形態(tài)和尺寸的廣譜控制。

該研究的3D打印樣品的近等軸微觀結(jié)構(gòu)打開了傳統(tǒng)合金的適用性，如SS316L，同時(shí)具有非凡的材料性能，如高強(qiáng)度和延展性，機(jī)械各向同性和均勻性，以及超塑性。

相反，從細(xì)粉末中獲得的近單晶微觀結(jié)構(gòu)為打印Ni基高溫合金單晶提供了指導(dǎo)，以獲得理想的高溫抗蠕變性能。

這項(xiàng)工作為利用粉末粒度分布實(shí)現(xiàn)更可控、更具成本效益和可持續(xù)的金屬增材制造提供了一條途徑。