金屬和陶瓷粉末床熔煉增材制造中各向異性結晶織構的控制——綜述(2)
時間：2022-10-09 17:15 來源：長三角G60激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
值得注意的是，在Sofinowski等人的研究中，掃描方向每旋轉1°，紋理似乎沒有顯示出連續變化，而是離散變化。這意味著當L-PBF期間掃描策略改變時，紋理中出現瞬態區域。最近的一項研究清楚地闡明了這一點。圖7a、b、c、d、e和f顯示了在Ti-15Mo-5Zr-3Al樣品中測量的晶體取向圖，其中掃描策略在L-PBF制造過程中定期改變。在該研究中，應用了兩種不同的掃描變化方案，如圖7a、b和c所示，交替進行X掃描和XY掃描，或如圖7d、e和f所示，在X掃描和Y掃描之間交替進行。掃描策略每30層改變一次。圖7（a，d）、（b，e）和（c，f）分別表示在y–z橫截面上沿x、y和z方向分析時的晶體取向顏色。在圖7中，掃描策略更改的位置由水平灰線表示。如上所述，兩種變化方案都證實了馬賽克狀紋理的演變，證明了L-PBF中掃描策略控制的有效性。值得注意的是，紋理的瞬態行為因掃描策略而異。當X掃描和XY掃描交替進行時，<110>和<100>紋理演變的面積分數顯著不同。然而，掃描策略在相同的30層周期內交替改變。如圖7b和c所示，它們分別顯示了沿y和z方向的晶體取向，紅色表示的<100>紋理的面積比綠色表示的<110>紋理的要寬得多。
圖7通過（a–c）X掃描和XY掃描以及（d–f）X掃描與Y掃描之間的交替變化，在bcc-Ti-15Mo-5Zr-3Al樣品制造過程中改變掃描策略，顯示紋理變化的晶體取向圖。y–z剖面觀察結果；顏色表示晶體沿（a，d）x-、（b，e）y-和（c，f）z方向的取向。掃描策略發生變化的位置用水平灰線表示，紋理產生變化的位置由藍色和紅色虛線表示。
此外，當X掃描和Y掃描交替進行時，如圖7d、e和f所示，演化紋理本身的性質因掃描策略的交替而改變。在理想的X掃描中，<100>、<011>和<011>的晶體取向分別沿X、y和z方向排列，如圖1c所示。同樣，在理想的Y掃描中，預計<011>、<100>和<011′>晶體取向的演變分別沿x、Y和z方向。因此，當聚焦于沿z方向的晶體取向時，預計僅沿<011′>（以綠色顯示）對齊，因為<011″>是X掃描和Y掃描樣品中演變的紋理的典型方向。然而，圖7f中的觀察結果表明，在X掃描和Y掃描之間的過渡區中，出現了一個意外的<100>紋理（以紅色顯示），<100>沿z方向排列，面積比例相對較大。
這些結果表明，紋理形成機制不僅受掃描策略的控制，而且與柱狀細胞相對于原有基底（基質）易于外延生長相關的“紋理穩定性”也起著重要作用。在使用單晶起始板的研究中，進一步定量地討論了“織構穩定性”。
非立方材料的織構演化；晶體對稱性作為控制因素
AM的一個眾所周知的優點是，它可以用于制造復雜幾何形狀的產品，而這些產品無法使用標準制造技術進行制造。這包括高溫結構材料，通常在室溫下表現出脆性。通過選擇性激光加工（包括SLM（L-PBF）和選擇性激光燒結（SLS））制造氧化鋁、碳化硅、磷酸鈣和氧化鋯等陶瓷材料。然而，此類陶瓷材料的紋理控制鮮有報道。
我們最近報道了L-PBF制造過渡金屬二硅化物產品C11b–MoSi2和C40–NbSi2，預計將在1200°C以上的溫度下使用。如果能夠控制這些產品的織構發展，則可以提高其高溫強度和抗蠕變性能。
圖8顯示了（a）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、（b）四方MoSi2和（c）六方NbSi2的L-PBF制備樣品的代表性極圖。在bcc Ti中，使用X掃描和XY掃描策略開發了沿構建方向排列的<011>和<100>的不同單晶結構（圖1）。然而，四方MoSi2和六方NbSi2的織構特征不同。在四方MoSi2中，X掃描樣品中形成了單晶織構，構建z方向和掃描X方向分別平行于<100]和[001]。然而，在XY掃描樣品中，只有纖維狀紋理的構建z方向平行于<100]，而沒有單晶紋理。這些不同的紋理演變特征源于晶體對稱性的差異，這影響了它們優先生長方向的“多樣性”，如圖9所示。
圖8用立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的掃描策略比較極圖的變化。
圖9（a） L-PBF晶體結構、細長胞優先生長方向和織構發展之間的關系。（b）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的X掃描和XY掃描過程中，晶體結構紋理發展特征的變化示意圖。
MoSi2中的C11b結構包含一個四方單元，其中三個bcc晶格沿c軸堆疊，如圖9a所示。MoSi2中細長細胞的優先生長方向與<100]平行。在MoSi2的L-PBF中，柱狀細胞的生長主要發生在紋理強烈的樣品中垂直于掃描x方向的平面上，類似于圖3f中的解釋。因此，在X掃描樣品中，平行于<100]的細胞優先生長，隨后平行于<010]的橫向生長發生在y–z截面上，因為在四方晶體中[100]和[010]方向在晶體學上是等效的。因此，垂直于[100]和[010]的[001]沿掃描x方向對齊。因此，形成了類似于fcc和bcc材料的單晶結構。
AM中紋理控制的未來展望
如上所述，金屬和陶瓷AM的未來技術將不僅作為傳統的基于識別的形狀控制工具，而且作為允許自由控制晶體取向和微觀結構的創新工具而發展。將任意形狀控制與通過紋理控制控制材料屬性相結合，將有助于開發迄今為止無法實現的高性能產品。例如圖6所示的高功能植入材料的開發。另一個關注航空航天部件的例子是高性能渦輪葉片。如圖10所示，葉片因旋轉而受到離心力的部分由柱狀晶粒或單晶組成，其晶體取向受到控制，而下部固定部分由隨機多晶等軸晶粒組成，以確保抗疲勞性和低溫韌性。通過這些方式，將在不久的將來開發出傳統鑄造技術無法制造的多功能產品，重點是同時控制AM產品的形狀和紋理，以應用于各個領域。
圖10僅可使用AM工藝制造的高性能渦輪葉片的概念圖。（EBSD圖只是一幅概念上顯示柱狀晶粒和等軸晶粒的圖像，并非取自實際的鎳基高溫合金）。
為了擴大此類應用，需要增加在AM過程中可以控制其紋理的材料的數量。如本文所述，已發現許多金屬和一些陶瓷的紋理控制潛力，無論其晶體結構如何。然而，AM對作為生物材料重要的Ti-6Al-4V或作為高溫耐熱材料重要的鈦鋁合金的織構控制尚未完全實現。原因是這兩種合金在高溫下都表現出固態相變。由于AM的織構控制基于對凝固過程的控制，因此很難抑制冷卻過程中固態相變對織構的破壞。
結論
盡管AM優先考慮制造過程中的精確形狀控制，但紋理控制也很重要，因為它是金屬AM的獨特特征。本文所述的最新發展使得能夠有意控制產品中的紋理。精確的紋理控制與復雜的近凈形狀控制相結合，可以創建一個層次結構，其中的屬性在原子尺度到毫米尺度的不同尺度下都是各向同性或各向異性控制的，從而實現前所未有的優越屬性。
D-WAAM過程的沉積模型。
要控制L-PBF樣本中的紋理，必須考慮以下因素：
1.必須控制L-PBF工藝參數，以實現柱狀細胞的二維生長，限制在垂直于掃描x方向的y–z截面，從而實現向強紋理的演變。
2.由于y–z截面上的細胞優先生長，沿掃描方向的<001>排列是控制立方（fcc，bcc）材料紋理演化行為的最重要因素。
3.紋理形成機制不僅受掃描策略控制，還受紋理穩定性控制，這與柱狀細胞相對于先前存在的基底（基質）容易外延生長有關。
4.在具有非立方晶體對稱性的材料中，與立方材料中觀察到的紋理相比，會產生不同的紋理。擇優晶體生長方向的晶體學多樣性是決定其織構特征的主要因素之一。
來源：Control of Anisotropic Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Metals and Ceramics—A Review, Advertisement, doi.org/10.1007/s11837-021-04966-7
參考文獻：V. Bhavar, P. Kattire, V. Patil, S. Khot, K. Gujar, and R. Singh, Additive Manufacturing Handbook (CRC Press, Boca Raton, 2017), pp 251–253.
(責任編輯：admin)
Fabric8Labs推出AI芯片定
Titomic又一合作，將與nuF
荷蘭公司將開設3D打印船舶
Chicago Additive推出AMOS
590MHz帶寬+超90%輻射效率
威斯康星大學麥迪遜分校工最新內容
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強熱點內容
