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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( 四 )

Nature 许多


扫描策略在显微组织发育中的作用
在本节中 ， 我们利用在前几节中获得的理解来演示在各种扫描策略中侧分支外延生长在微观结构发展中的影响作用 。 由于所有讨论的晶体生长的潜在机制都可以在316L和HEA中看到 ， 本节只讨论HEA中微观结构的发展对扫描策略变化的响应 。 在扫描策略1中 ， 后续层双向不旋转 ， 该策略主要导致HEA中两组交替的柱状方向(图5d e) ， 这在之前的研究中报道过 。 其中一组非常纤细 ， 局限在熔池中心 ， 三个<001>方向与BD -构建方向 ， TD1(即扫描方向)和TD2(与BD和TD1正交)很好地对齐(集合1 ， 图5) 。 另一组(集合2 ， 图5d)有两个<001>与BD和TD2对齐约45° ， 而第三个几乎平行于TD1 。 第2组位于两个相邻熔池的两侧 ， 比第1组厚得多 。 集合1是由于熔池底部中心的晶胞倾向于沿着熔池中心线与G很好地对齐(图2c和4a) ， 形成<001>垂直并平行于BD ， 晶体沿熔池方向连续外延生长而产生的结果;因此 ， 另一个<001>与扫描方向- TD1紧密平行 ， 使得三个<001>与样品(BD TD1 TD2)坐标很好地对齐 。 这种扫描策略导致熔体轨迹垂直排列的堆叠顺序 ， 促进熔池中心线的细胞在不改变细胞方向的情况下保持垂直生长 ， 从而产生所观察到的薄柱状晶粒 。 虽然熔池中心线上的晶胞不受同一层上新相邻熔池沉积的影响 ， 但凝固珠两侧现有的晶胞倾向于靠近相邻熔池的切线 ， 促进侧分支进入相邻熔池 ， 如图4b-d和图5e所示 ， 导致集合2的晶粒变宽 。 虽然集合2的晶粒呈柱状且垂直取向 ， 但它们由<001>取向和细胞生长方向与BD不平行的细胞组成 ， 而是相对于BD倾斜约45° ， 这是由于两个相邻沉积轨迹之间的交替侧分支(图5e) 。 此外 ， 可以看到 ， 与第一个轨迹相似(图1a) ， 在构建物和衬底之间的界面处的第一层沉积由更细的晶粒组成(图5a底部) 。 熔融金属的再沉积导致晶粒的竞争性生长 。 由细胞组成的颗粒 ， 如果在熔体/再熔体循环过程中与局部热梯度排列良好 ， 将超过不受欢迎的细胞 。 值得注意的是 ， 在重复沉积过程中 ， 侧分支使得凝固颗粒侧面的细胞可以很容易地在新的熔池中跟随热梯度 ， 大大拓宽相邻两个扫描轨迹上的晶粒(图5a b) 。 换句话说 ， 侧分支在竞争性生长中起着重要作用 。 由于颗粒试图跟随光束方向 ， 集合2的<001>方向之一与扫描方向紧密平行 ， 类似于第一组方向 。
在层之间旋转扫描模式的扫描策略改变了熔体轨迹的对齐 ， 并扰乱了沿构建方向的热剖面 ， 促进了更多随机的晶体方向 。 一种常用的随机化晶体方向和减少残余应力的策略是棋盘扫描策略(左下插图 ， 图6a) 。 本研究中使用的棋盘策略也显著改变了晶粒的微观结构 。 在简单策略1中所见的垂直长柱状晶粒结构不再存在(图5与图6) 。 晶粒仍然被拉长 ， 但大幅度缩短 。 大多数颗粒都倾向于BD:图6a中顶部中间的嵌入立方体显示 ， 绿色颗粒的两个<001>方向几乎以45°与BD对齐 ， 即颗粒具有与集合2相同的方向(图5a) 。 这些颗粒不仅能够在多个层内熔体轨道上变宽 ， 而且还能在多个层上变宽 ， 这表明侧分支发挥了重要作用 。 为了理解晶体如何能够在不同扫描岛的熔体轨迹之间的边界上外延生长 ， 分别在图6b和c中展示了一个熔体轨迹的热分布图和一个由两个相邻岛屿(I1和I2)组成的区域的EBSD IPF-BD地图 。 熔池中的热梯度G收敛到最热的区域 ， 即光束位置(图6b) 。 图6b显示G(因此谷物-图 。 6c)靠近融化轨道的开始和结束与中心线很好地对齐 。 快速移动的光束使熔体轨迹后部两侧的热梯度G几乎垂直于熔体轨迹的中心线(图6b) ， 使得晶粒向内生长并几乎垂直于中心线 。 这意味着 ， 在新相邻的平行熔体轨道上 ， 凝固轨道两侧现有的细胞与G很好地对齐 ， 为在同一岛的相邻熔体轨道(例如T1 T2和T3)上连续外延生长提供了良好的条件 。 然而 ， 在熔体轨迹的开始和结束区域 ， G更平行于中心线(图6b) ， 这使得凝固轨迹两侧现有的晶粒很容易外延生长 ， 越过岛屿边界 ， 生长到相邻岛屿上新相邻但垂直的熔体轨道上 。 因此 ， 通过岛边界扫描方向90°的变化促进了相邻岛之间的层内外延生长 ， 如图T1和T4之间的区域所示(图6c) 。 一旦颗粒外延生长到邻近的岛屿上 ， 它们很容易在同一岛屿内从熔点生长到熔点 ， 使颗粒向更远的岛屿内部渗透 。 图6c中的晶粒相当小 ， 因为它们位于最顶层(即只经历了一次熔体)-较小的晶粒组织类似于现有基底上沉积的第一层(下图5d);随后的再熔炼会由于侧面分支而使晶粒变宽 。 此外 ， 旋转67°会导致连续层之间出现一些相同岛屿的重叠(左下插图 ， 图6a) 。 重叠促进了细胞从一层到另一层呈螺旋状的层外侧分支 ， 使细胞(因此 ， 颗粒)倾向于BD ， 例如图6a ， 左上的绿色颗粒 。 值得注意的是 ， EBSD是晶粒方向的2D映射 ， 因此螺旋生长的晶粒出现拉长并向BD倾斜 ， 如图6a所示 。 因此 ， 棋盘扫描策略中的优选晶粒呈螺旋状生长 ， 导致晶粒方向对齐 ， 如图垂直于BD的截面的2D EBSD映射所示(图6e) 。

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