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Nature子刊：侧分支在激光粉末床熔合显微组织形成中的作用( 三 )

Nature 许多




图3:AM 316L的孔隙率和凝固组织 。 一个锁眼孔 。 b在含有细小球形包裹气体孔隙的区域内的细细胞层 。 c缺乏融合孔周围的凝固组织 。 d在c的中心顶部的放大区域 ， 显示单元格间距的急剧变化 。 e在两条连续的融合线上发生两次细胞细化 。
连续外延而不改变方向
在采用调制和连续激光曝光策略制备的316L合金中 ， 两种FCC合金中的细胞都可以在不改变方向的情况下沿多个边界生长 。 4a和概念激光图 。 分别为4e)和HEA构建(图5d) 。 由于沿熔池中心线的G是垂直的 ， 因此这种槽通常局限在熔池中心并且垂直(即与BD平行) 。 高G/vi(补充图3)表明柱状生长(在生长的细胞阵列之前没有明显的形核)是有利的 ， 外延生长在微观结构的进化中占主导地位 ， 这在文献8中经常报道 。 从补充图4可以看出 ， 如果现有固体中细胞的生长方向与细胞生长的局部G很好地对齐(在30°以内) ， 晶体将继续外延生长到新的熔池中而不改变方向 。


图4:AM 316L中由于连续生长和侧分支而导致的组织发展 。 在双向扫描中 ， 细胞沿中心线沿熔池连续生长(由黑色箭头突出显示) 。 b-d侧分支在所有扫描策略中都经常出现在熔池两侧 。 b(3)中的细胞外延生长自(2)中的细胞 ， 而(1)中的细胞则外延生长自(2)中的细胞 ， c为a中区域TD1上对应的逆极图 。 d细胞在融合边界处发生侧分支 。 e连续生长和f侧分支(区域1)和尖端分裂(区域1和2) 。 注:316L钢采用a-d调制激光束(Renishaw)和e - f连续波激光束(Concept laser)制备;b和c中的虚线表示熔池边界;b和c在AIP Publishing提供的许可下被重用 。
图5:后续层无旋转线性双向扫描制备的316L和HEA显微组织a由雷尼绍AM250和概念激光器在316L中观察到的晶体学方向的极图 。 b c分别由Renishaw AM250和Concept Laser在316L中制备的晶体学取向沿建筑物方向的逆极图 。 d由Reninshaw AM250制造的HEA从变形钢基板上沉积的第一层到顶部的微观结构变化 。 e侧分支主要发生在HEA构建中相邻的熔体轨道之间 。
侧支
在316L和HEA中经常可以看到 ， 如果现有晶体的生长方向不是很好地与G对齐 ， 细胞仍然可以外延生长 ， 但生长方向发生了变化(图4b-d ， 图4f和5b中的区域1) 。 图4b显示了细胞的三个区域(标记为(1) ， (2)和(3)) 。 (1)的细胞已存在且与(12)融合线切向 ， (3)的细胞不在平面上 。 图4c中的晶体学取向图显示 ， (1)中的细胞沿<001>晶体学方向(例如[100
)生长 ， 并倾斜于BD 。 (2)中的细胞沿垂直<001>方向生长 ， 例如[010
;(3)中的细胞沿第三个垂直方向生长 ， [001
。 对于立方合金 ， 三个方向对称等效 ， 均属于<001>族 ， 使得胞元(1)、胞元(2)和胞元(3)由于外延生长而属于同一晶粒 ， 但生长方向发生90°变化 。 事实上 ， 从图4b、c可以看出 ， (2)中的细胞从(1)中已有的细胞侧面分支出来 。 图4d可以更清楚地显示出侧面分支 ， 左下熔池中的细胞从右上区的细胞侧面分支出来 ， 导致生长方向发生90°的变化 。 由于新熔池熔合线处的局部G垂直于熔合线 ， 生长方向的变化是由热流的变化驱动的 。 与局部G的变化一起 ， 图4d强调了小扰动对细胞的重要性 ， 因为这些扰动为响应热流通量变化的侧分支提供了现成的位置 ， 即使侧分支更容易发生 。 熔池形成后 ， 由于G的变化 ， 熔合线常发生侧分支 。 然而 ， 即使在熔池内 ， G也因位置而显著不同 。 熔池形状和熔融金属动力学的复杂性会导致热廓线的更多扰动 。 细胞可能最初成长的易磁化方向平行于初始局部G但是随着他们的成长不同地区的一个新的本地G细胞增长不再是可取的甚至促进侧支的细胞内熔池(补充图5 a b) 。 侧支的单个细胞内熔池导致复杂的增长路径例如纵横交错平面结构的细胞(补充图 。 5 c)因此复杂的颗粒形态 。 值得注意的是 ， 当通过EBSD映射在2D横截面上观察时 ， 熔池内的侧分支可以导致柱状细胞呈现等轴状 。 因此 ， 对EBSD晶粒组织映射的解释需要谨慎进行 。
应该注意的是 ， 在调制激光系统(图4a-d)和连续激光系统(图4e f)中 ， 连续生长、尖端分裂和侧分支被认为是主要的 ， 并负责微观结构的发展 ， 导致统计上相同的微观结构(图5a b和c):例如 ， 在不旋转的双向扫描中 ， 细长([001
//BD)-沿熔池中心线的晶粒和([101
//BD)-横跨在熔池两个轨道之间的晶粒(图5b c) 。 只有一些小的区别:Renishaw 316L具有更长的柱状晶粒(图5b c) ， 因为更高的功率强度(180 W)导致更深的熔池 。 在Renishaw和Concept构建中看到的相同的底层机制并不令人惊讶 ， 因为曝光时间(60μs)和光点间距(60μm)非常短 。 Hooper表明 ， 当光束位于下一个点时 ， 前一个点仍然是液体 ， 而相邻点开始熔化 ， 使调制光束成为伪连续的 。 有限元模拟证实 ， 相邻熔池有效地在约1mm的长度尺度上形成了一个伪连续熔池 ， 尽管激光光束的调制导致熔池在熔点之间的瞬态分布不同(补充视频1和2) 。 此外 ， 在316L钢中看到的潜在机制也在HEA中观察到 。 例如 ， 沿中心线的持续生长和熔池两侧频繁的侧分支也导致HEA中分别出现两组细晶粒和宽柱状晶粒(图5d e) 。

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