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金屬和陶瓷粉末床熔煉增材制造中各向異性結(jié)晶織構(gòu)的控制——綜述

時間:2022-10-09 17:15 來源:長三角G60激光聯(lián)盟 作者:admin 閱讀:
      導(dǎo)讀:據(jù)悉,本文討論了近年來在紋理演化機制和控制方法方面的研究進(jìn)展,重點介紹了選擇性激光熔煉技術(shù)。
      增材制造(AM)可以生產(chǎn)復(fù)雜的網(wǎng)狀幾何圖形。此外,在受到較少關(guān)注的金屬和陶瓷AM中,可以通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)來任意控制產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和紋理,從而實現(xiàn)前所未有的優(yōu)異性能。本文討論了近年來在紋理演化機制和控制方法方面的研究進(jìn)展,重點介紹了選擇性激光熔煉技術(shù)。AM的獨特特性之一是,通過控制掃描策略,紋理可以隨著產(chǎn)品內(nèi)部位置的變化而變化。討論了紋理的瞬態(tài)行為以及通過掃描策略控制紋理的因素。此外,還討論了面心立方和體心立方以及非立方材料的織構(gòu)演化行為。描述了擇優(yōu)晶體生長方向的晶體學(xué)“多重性”的重要性,以了解此類材料中織構(gòu)的演變行為。
介紹
       近年來,增材制造(AM)在重要制造過程中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。AM最顯著的優(yōu)點是,它允許生產(chǎn)復(fù)雜的凈形狀幾何形狀,而這些幾何形狀是使用標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)(如鑄造或成型)無法實現(xiàn)的。因此,AM已被應(yīng)用于制造各種產(chǎn)品,包括空心結(jié)構(gòu)、三維復(fù)雜多孔體和定制開發(fā)的產(chǎn)品。此外,在某些情況下,AM已與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合。

通過AM生產(chǎn)的具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件。

金屬AM的另一個顯著特點是對微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的廣泛控制,與形狀控制相比,這一特點受到的關(guān)注較少。特別是織構(gòu)控制,即晶體取向控制,除了強度、延性、楊氏模量、耐磨性等力學(xué)性能,以及磁性、耐腐蝕性等其他功能性能外,是控制材料性能的最重要因素之一。因此,精確的晶體定向控制可以導(dǎo)致前所未有的優(yōu)越性能。

控制織構(gòu)有兩種策略:隨機多晶化以獲得各向同性特性,和合成單晶或強織構(gòu)取向材料以獲得各向異性特性。粉末床熔融處理廣泛用于金屬AM。有兩種方法,使用激光或電子束作為熱源。這些過去稱為選擇性激光熔煉(SLM)和電子束熔煉(EBM),但目前分別稱為激光束粉末床熔煉(L-PBF)和電子注粉末床熔合(EB-PBF)。關(guān)于紋理控制,AM期間紋理的形成已有十多年的報道,但其有意控制尚未充分研究,特別是在EB-PBF中。相反,最近,在L-PBF中有意自由控制紋理的策略已成為一個熱門話題。因此,近年來,有意識地使用紋理在產(chǎn)品中引入新的、優(yōu)越的功能已變得流行起來。
激光選區(qū)融化成形。

L-PBF工藝參數(shù)對織構(gòu)的影響

眾所周知,面心立方(fcc)和體心立方(bcc)金屬凝固過程中柱狀細(xì)胞的優(yōu)先生長方向通常平行于<100>。關(guān)于金屬粉末床熔合型AM的熔池中的凝固過程,如果外延生長的影響可以忽略不計,柱狀細(xì)胞傾向于平行于熱流方向生長,幾乎垂直于熔池邊界的切向。因此,L-PBF中的紋理演變特征可能會因制造工藝參數(shù)的不同而變化,這取決于它們對熱流方向的影響以及由此導(dǎo)致的熔池形狀的變化。

本研究采用X掃描策略,其中激光在一個方向(X方向)上進(jìn)行雙向(鋸齒形)掃描。在本研究中,掃描和構(gòu)建方向設(shè)置為平行于x和z方向。X掃描策略的示意圖如圖1a所示。
圖1 (a,b)掃描策略和相應(yīng)紋理的示意圖,以及(c,d)使用(a,c)X掃描或(b,d)XY掃描方法對bcc-Ti-15Mo-5Zr-3Al合金進(jìn)行L-PBF期間其演變機制的示意圖。

在五種條件下,成功地制作出形狀精確的矩形試樣,但其中演變的紋理差異很大。圖2a、b、c、d和e顯示了掃描電子顯微鏡(SEM-EBSD)中的電子背散射衍射分析在y–z截面(即垂直于掃描x方向的平面)上拍攝的晶體取向圖。圖2e所示的條件對應(yīng)于之前報告的顯著紋理演變。圖2e顯示了沿掃描x方向排列的<001>和沿y和z方向排列的<110>的強紋理演變。然而,當(dāng)激光功率或掃描速度降低時,紋理演變的程度逐漸減弱。

圖2 (a–e)SEM–EBSD晶體取向圖和相應(yīng)的{100}和{110}極圖(下圖),顯示了在使用x掃描策略制造的Ti-15Mo-5Zr-3Al合金試樣中,垂直于掃描x方向的y–z截面上測量的基于激光功率和掃描速度的紋理變化。(f,g)沿掃描x方向測得的P<001>變化,以及沿y和z方向測得與制造工藝參數(shù)相對應(yīng)的P<110>變化。

為了闡明這種結(jié)構(gòu)變化的物理起源,進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)觀察。圖3a和b顯示了以最低和最高掃描速度制造的樣品的建筑物z表面的SEM圖像。掃描速度的差異影響熔池的形態(tài)。隨著激光掃描速度的增加,熔池長度也隨之增加。因此,熔池的三維形狀發(fā)生了變化,如圖3c和d所示。
圖3 (a,b)顯示熔池形狀隨掃描速度變化的SEM圖像。(c,d)顯示熔池三維形狀變化的示意圖。(e,f)x–z截面上觀察到的微觀結(jié)構(gòu)的高倍圖像,顯示柱狀細(xì)胞伸長方向的變化。

圖2所示的結(jié)果清楚地表明,控制柱狀細(xì)胞沿x方向的晶體取向,即沿x方向<001>的排列,是影響強織構(gòu)演變的顯著因素之一。圖3所示的觀察結(jié)果表明,這可以通過誘導(dǎo)柱狀細(xì)胞的二維生長來實現(xiàn),僅限于垂直于掃描x方向的y–z截面。

fcc和bcc材料的織構(gòu)發(fā)展機制

粉末床熔合型AM產(chǎn)品中的紋理形成已有十多年的報道,例如Al Bermani等人的研究。然而,最近才開始有意識地應(yīng)用它來誘導(dǎo)產(chǎn)品中新的、優(yōu)越的功能性。Ishimoto等人通過考慮上一節(jié)中的發(fā)現(xiàn),闡明了L-PBF制備的立方對稱材料中的強織構(gòu)演變機制,即“當(dāng)在x-z截面上觀察時,控制細(xì)長細(xì)胞沿z方向生長的產(chǎn)品中形成了強織構(gòu)”,通過適當(dāng)選擇L-PBF制造工藝參數(shù)。除了X掃描方法外,XY掃描方法通常用于產(chǎn)品制造,其中激光是雙向掃描的,但每層后旋轉(zhuǎn)90°。

對于X掃描樣品,y–z截面上的微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示了位于熔池中心的柱狀晶粒邊界。在熔池的左右半部分,雙向細(xì)胞生長沿著− 與建筑方向的夾角分別為45°和45°。SEM-EBSD分析表明,前一凝固池左半部和下一凝固池右半部的晶體取向完全相同。如前所述,細(xì)長胞狀微結(jié)構(gòu)的結(jié)晶方向幾乎對應(yīng)于<100>,這是大多數(shù)立方對稱材料的優(yōu)先生長方向。在細(xì)胞生長的平衡狀態(tài)下,它們傾向于沿- 45°和45°方向生長,因為熔池兩側(cè)晶胞的一次和二次延伸方向傾向于保持<100>方向,以促進(jìn)外延生長。由于y–z截面上<100>細(xì)胞的±45°生長,<110>在X掃描樣本中優(yōu)先沿構(gòu)建z方向定向。

FCC金屬中的壓痕形成機制和缺陷網(wǎng)絡(luò)。

相反,當(dāng)使用XY掃描方法時,微觀結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果表明,熔池底部周圍生成的細(xì)長<100>細(xì)胞沿構(gòu)建z方向生長,而在X掃描期間,熔池上壁周圍生成的其他細(xì)長<100>細(xì)胞則沿構(gòu)建方向垂直生長,如圖1d所示。在隨后的Y掃描生成的熔池中,觀察到等效的細(xì)胞生長。這是由于在兩個掃描區(qū)域保持相同的晶體取向,以最小化外延生長產(chǎn)生的界面能。如果X掃描中觀察到,在XY掃描期間,<100>定向細(xì)胞生長發(fā)生在±45°方向,則<100>不能在下一個Y掃描層中連續(xù)生長。因此,這種±45°的生長在XY掃描中不受歡迎。因此,<100>在XY掃描樣本中沿著兩個掃描(x-和y-)和構(gòu)建z方向固定,如圖1d所示。

如上所述,熔池形狀通過細(xì)長細(xì)胞生長方向的變化顯著影響紋理發(fā)展行為。如前一節(jié)所示,由于L-PBF過程中熔池形狀隨能量密度而變化,因此在特定情況下,紋理變化取決于激光功率。Sun等人報告了316L不銹鋼織構(gòu)的變化,其中,通過增加激光功率,結(jié)合垂直于熔池延伸方向的單掃描和雙向掃描之間的掃描策略變化,沿著構(gòu)建方向的優(yōu)先對準(zhǔn)可以從<001>變?yōu)?lt;011>。

此外,Sun等人最近報告了X掃描產(chǎn)品中“混合”<001>和<011>紋理的演變,如圖4所示,由適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)控制提供。這種獨特的結(jié)構(gòu)被稱為“晶體層狀微結(jié)構(gòu)”(CLM)。主要區(qū)域和次要區(qū)域之間的晶體取向關(guān)系,如圖4c中的綠色和紅色所示。
圖4(a–d)通過SEM-EBSD分別沿X、y和z方向觀察到,使用X掃描策略制作的不銹鋼316L試樣中的晶體取向圖,具有(a)晶體層狀微結(jié)構(gòu)(CLM)和(b)單晶結(jié)構(gòu)。(c,d)沿z軸的相應(yīng)高倍晶體取向圖,在y–z截面上的樣品頂面觀察到。箭頭表示電池伸長方向為±45°(綠色)或垂直方向(紅色)。(e)示意圖顯示了CLM中主要區(qū)域和次要區(qū)域之間的晶體取向關(guān)系。

通過關(guān)注熔體池形狀來理解織構(gòu)形成機制的這一想法的有效性最近已被報道,不僅針對L-PBF,而且針對EB-PBF產(chǎn)品(圖5)。具有較高熱源能量的EB-PBF誘導(dǎo)形成形狀平坦的熔體池。即使在x掃描模式下,這也誘導(dǎo)柱狀細(xì)胞沿z方向垂直生長,如圖5c所示。結(jié)果,與L-PBF情況相比,在圖5d的xy掃描產(chǎn)品中觀察到的相同的織構(gòu)得到了發(fā)展。這就是為什么EB-PBF產(chǎn)品的質(zhì)地控制比L-PBF產(chǎn)品有限的原因。
圖5 顯示L-PBF和EB-PBF產(chǎn)品之間晶體結(jié)構(gòu)演變行為差異的示意圖:(a)L-PBF中的X掃描,(b)L-PBF中的XY掃描,(c)EB-PBF的X掃描和(d)EB-PPB中的XX掃描。

通過改變每個位置的掃描策略實現(xiàn)紋理的局部控制

AM的優(yōu)點是掃描策略可以根據(jù)產(chǎn)品中的位置進(jìn)行更改。如前一節(jié)所述,在L-PBF期間改變掃描策略可以改變產(chǎn)品中紋理的演變,即X掃描中<110>紋理的演變和XY掃描中<100>紋理的演化,沿著構(gòu)建z方向。因此,需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確的局部紋理控制(產(chǎn)生類似馬賽克的紋理)的方法來實現(xiàn)功能增強的產(chǎn)品。例如,用于生物醫(yī)學(xué)植入物的Ti-15Mo-5Zr-3Al合金的強度和楊氏模量必須進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以適應(yīng)體內(nèi)實際應(yīng)用中的應(yīng)力場,以減少骨的應(yīng)力屏蔽,如圖6a所示。在鑄造和鍛造等傳統(tǒng)工藝中,不可能對紋理進(jìn)行局部控制,然而,當(dāng)使用AM時,可以相應(yīng)地改變掃描策略,如圖6b所示。
圖6 (a)概念圖顯示用于固定骨折的接骨板植入物對紋理(馬賽克樣紋理)的局部控制。(b)本課題組L-PBF制作的具有馬賽克樣紋理的真實產(chǎn)品。

Geiger等人進(jìn)行了第一批針對L-PBF局部紋理控制的研究。通過改變樣本中的掃描策略,他們證明了紋理和彈性各向異性可以沿著構(gòu)建方向進(jìn)行定制,方法是在每個位置的順序構(gòu)建過程中堆疊不同的掃描區(qū)域。還報道了一些與L-PBF3和EB-PBF相關(guān)的研究。對于EB-PBF,重點主要是<001>增長和隨機定向增長的混合。Sofinowski等人報告了當(dāng)?shù)囟ㄖ频?16L不銹鋼L-PBF制造。

(責(zé)任編輯:admin)

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