Nature子刊:侧分支在激光粉末床熔合显微组织形成中的作用( 五 )



图6:采用棋盘扫描策略制备的高熵合金中晶粒的螺旋生长 。 沿着HEA BD的一段IPF-BD图 , 由棋盘图案构建 , 每个后续层旋转67°(左下插图) 。 方向的大颗粒(如右侧立方体所示)可以穿过同一层中的几个熔池 , 也可以穿过多个层(虚线突出了一些熔池的边界) 。 b有限元模拟预测的熔体轨迹热廓线俯视图;比例尺单位为K度 。 c由两个岛I1和I2组成的区域的IPF-BD , 垂直于BD b和c中的箭头表示激光束的移动方向 。 c中的白色虚线表示熔体轨迹之间的边界 。 d e垂直于bd的剖面的光学图像和EBSD图(分别)-注意:该剖面并不完全平行于单层沉积 , 有助于揭示多层晶粒的螺旋微结构(由白色虚线突出显示) 。
采用策略1和策略2打印后的极点图分别如图7a、b所示 。 扫描策略1的(001)极点图显示了两个首选方向 , 反映了图5d中方向的交替集1和2 。 与两组主导方向相反 , 图7b显示与棋盘图案相关的<001>方向相当均匀地围绕构建方向角旋转 , 沿最外层圆形成环 。 同样地 , 在<1ˉ10>的(110)和(111)杆图中也可以看到环 , 并与BD很好地对齐 , 确认了首选角度纹理的存在 。 这与图6所示的层内和层外侧分支的螺旋外延生长相一致 , 证实了侧分支在不同扫描策略时对微观组织发展的影响 。 这种影响作用也解释了在层间90°旋转的双向线性扫描中强大的立方体纹理 。 立方体织构中所有三个<001>都与BD、TD1和TD2(图7c)很好地排列在一起 , 这与之前对立方晶体的研究一致 。 每层扫描方向90°旋转 , 导致沉积沿TD1和TD2交替出现层外侧枝 , 形成两个<001>方向 , 与TD1和TD2对齐 , 从而得到所观察到的立方体纹理 。


图7:与三种不同扫描策略相关的晶体学取向和塑性各向异性 。 策略1:不旋转的双向扫描 , 策略2:旋转67°的棋盘 , 策略3:旋转90°的双向扫描 , 制作HEA样品的极点图(注:X平行于TD1 Y平行于TD2 BD位于极点图的中心) 。 d加载方向平行和垂直于BD时的硬度测量(误差条的上限和下限分别代表测量值的第25和第75百分位) 。
优选晶体结构对塑料各向异性行为的影响最大 , 这被认为是增材制造的主要问题之一 。 测量的硬度清楚地反映了不同扫描策略对塑性各向异性的影响 。 90°的双向扫描(策略3)表现出最各向同性的行为:z切片上的测量硬度与x切片上的硬度相似(图7d) 。 <001>取向与(BD TD1和TD2)的对齐意味着立方晶体在BD TD1和TD2中表现相同 , 导致与先前研究一致的最常见的各向同性 。 相比之下 , 策略(1)和策略(2)中不同的外延生长导致不同的晶体结构和强的各向异性:z层的硬度明显低于x层(图7d) 。 在图7a-c所示的纹理基础上 , 使用MTEX对策略1(和2)平行于BD (Z段)和垂直于BD (X段)的加载方向测量的泰勒因子分别为3.20(和3.61)和3.75(和3.83) 。 Taylor因子越高 , 宏观测量的应力也越高 , 这就解释了为什么两种策略下Z截面的硬度比X截面的硬度低(图7d) 。
讨论
研究了立方合金粉末床熔合过程中微观组织的发展与局部热梯度G和等温线速度vi的关系 , 以解释不同扫描策略下微观组织的变化 。 目前的研究表明 , 经常发生不改变方向的晶体生长 , 并且局限于熔池中心线 , 形成长柱状但细长的畴 。 现有晶胞与G之间的错位促进了从现有晶胞侧面扰动到垂直<001>的侧分支 , 导致细胞生长方向改变的外延生长 。 侧分支的作用是有影响的 , 因为它会导致“纵横交错”的层微观结构 , 并在3D打印合金的后续沉积中扩大晶粒 。 特别是 , 当改变扫描策略时 , 侧分支负责组织的发展 。 最有趣的是 , 层间旋转67°的棋盘策略破坏了垂直柱状晶粒组织 , 但同时促进了层内外延生长和层外侧分支 , 导致螺旋外延生长 。 研究表明 , 微观组织长度尺度的变化与vi?0.25G?0.5有很好的相关性 , 大孔隙由于其局部隔热作用导致微观组织的大量粗化 。


补充表1:材料组成(单位:wt.%)
补充表2:导热系数和比热容
补充表3:用于有限元模拟的参数标识值
补充图1:垂直于建造方向的截面上的x射线衍射 。

补充图2:雷尼绍制造的316L建筑顶部的熔池 。 测量的尺寸深度为90±20μm , 宽度为145±30μm 。



补充图3:与连续激光束相关联的热廓线 , 与正文图2相同的初始条件和边界条件 。 (a)熔池侧视图(与沉积轨迹平行):内外虚线分别为当前熔池的液相线和固相温度 。 (b)横于沉积轨迹的a - a截面(注:熔池右侧的弯弯曲曲等温线是为了模拟未熔化粉末的存在而故意引入的局部热传导变化) 。 (c) G(实线)和vi(虚线)沿液线锋从熔池底部到顶部的变化 。 (d) G/vi从熔池底部向

推荐阅读