Nature子刊：侧分支在激光粉末床熔合显微组织形成中的作用 _Nature

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摘要：通过增材制造(例如3D打印)制造高质量的产品需要深入了解微观结构的进展。本文报道了侧分支在激光粉末床熔合合金组织发展中的调控作用。我们发现，细胞(或树突)侧面的扰动有助于晶体随局部热通量的变化而沿正交方向发生侧枝化，从而改变生长方向。连续的外延生长导致细长的柱状晶粒局限在熔池的中心线，而熔池两侧频繁发生的侧分支使晶体能够跟随相邻熔池的热梯度的剧烈变化，从而导致晶粒的大幅拓宽。扫描模式的变化可以中断垂直柱状组织，但促进层内和层外的侧分支，特别是导致层间旋转67°的棋盘式组织螺旋生长。
简介
增材制造(AM) ，也被称为3D打印，被认为是第四次工业革命的关键推动者。 AM在制造复杂结构方面提供了巨大的优势，将设计师从几何限制中解放出来，为开发新材料铺平了道路，这些新材料的构建模块可以精心构造，以实现前所未有的性能。然而，通过AM制造高性能和可靠的产品存在重大挑战，特别是在金属部件方面。这些挑战本质上与孔隙度的形成和凝固过程中复杂组织的发展有关。为了应对这些挑战，除了在深入了解加工现象方面做出许多努力外，还必须深入了解从单轨道到多层沉积的凝固过程中复杂的组织发展，以及在AM中孔隙率对组织发展的影响，以增加裁剪组织的信心，从而提高合金性能。经常有报道称，晶体的外延生长是3D打印合金组织发展的最主要现象，导致几乎所有打印合金(如钢， Inconel 718 Ti6Al4V Al合金，高熵合金)都能观察到柱状晶粒组织。然而，以往的研究大多没有揭示外延生长如何影响单轨到多轨沉积微观组织的形貌和空间分布。虽然经常报道具有优选取向(通常为[001
//构建方向)的柱状微观结构，但空间晶体取向要复杂得多。例如， Piglione等人报告说，实际上有两个主要的首选方向(具有非常独特的形态)是交替的，并位于特定的位置，用于双向扫描，而不需要在层之间旋转。导致这些形态、空间分布和晶体取向的潜在机制尚不清楚，需要理解，因为这将使微观结构更好地控制在AM中的特定位置。
许多关于铸造和焊接凝固组织的研究表明，关键的热参数如热梯度和等温线速度控制着晶体的生长，从而控制着组织的形态、空间分布和取向。特别是， Rappaz等人进行了一项基础研究，揭示了在单晶衬底上的单次沉积中热剖面、外延生长和晶体取向之间的详细联系。然而， AM需要在多晶衬底上进行多次沉积循环。因此，研究多晶衬底上的微观结构在空间上是如何从单轨向多轨层发展的仍然很重要。特别是， AM在改变工艺参数方面具有强大的能力，可以有效地改变熔池的热参数，从一层到另一层，从一层到另一层，使材料微观结构能够剪裁到特定位置，以实现所需的机械性能。此外，重要的是要强调扫描策略在控制优选纹理和最小化已制成部件的柱状晶粒、残余应力和开裂行为以实现所需力学性能方面的影响作用。利用扫描策略来调整微观结构，从而调整力学行为的机会，重申了在扫描策略的变化下，研究从单轨沉积到多轨沉积层外延生长过程中微观结构的晶体取向、形貌、空间分布和长度尺度的细节的必要性。
本研究通过检测凝固组织(形貌、长度尺度和晶体取向) ，并将其与局部热参数联系起来，研究了单轨和多层轨熔体特定位置上微观组织发展的潜在机制，从而解释了扫描策略变化下微观组织的空间分布和塑性各向异性。

Nature子刊：侧分支在激光粉末床熔合显微组织形成中的作用

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