南洋理工-劍橋大學：可調控微觀組織和性能的合金增材制造技術
時間：2023-12-08 15:51 來源： 增材制造碩博聯盟 作者：admin 閱讀：次
在材料學中，人們常常采用機械和熱工藝相結合的方法，在塑造材料的形狀的同時，調節材料的微觀結構和機械性能。比如，可以通過控制金屬鍛造和擠壓過程中的機械應變量，利用位錯的積累來硬化材料，或者在熱處理
(HT)
時產生微觀結構的再結晶，這是一種消除缺陷的晶粒成核和生長的過程，可以提高材料的韌性和各向同性。然而，這種傳統的“加熱和敲擊”方法在使用現代增材制造(AM)技術時就不再適用了。增材制造可以將材料逐層疊加，制造出具有復雜幾何形狀的近凈成形零件。由于微觀結構和幾何形狀在增材制造過程中幾乎同時形成，因此很難在不改變零件外形的前提下調控其微觀結構。
為了解決這一難題，新加坡南洋理工大學機械與航空航天工程學院的Huajian Gao教授和劍橋大學工程系的Matteo Seita博士進行了創新性的研究，展示了如何通過控制激光粉末床熔融（LPBF）技術產生的合金的位錯密度和熱穩定性，來規避這一限制。他們通過控制合金的凝固組織，實現了在不使用機械變形的情況下，通過設計熱處理來產生再結晶。
在特定的條件下，這種策略可以設計和成形復雜的微觀結構，將具有不同微觀結構特征和性能的再結晶區域和非再結晶區域相結合。該研究還發現，這種微觀結構的異質性可能有助于提升材料的性能，相比于單一的微觀結構更優。這項研究展示了一種先進的方法，能夠同時直接控制多個微觀結構特征的演化，從而拓展了具有優化的機械和物理性能的工程材料的設計空間。
通過改變激光掃描間距來改變再結晶的驅動力，研究人員證明了其對微觀結構的控制能力。再結晶導致的晶體織構、晶粒結構和晶界特征分布的差異也可能激發其他微觀結構設計，從而獲得優異的性能或新穎的功能。例如，可編程的、位點特定的再結晶可用于優化材料對因疲勞或氫脆導致的失效的抵抗力。在這方面，研究人員期望這一策略適用于其他材料。
總的來說，該工作開辟了設計金屬零件的方法，這些零件不僅具有微觀結構優化的特性，還具有形狀復雜性帶來的拓撲優化性能。
這些突破性的研究成果已經以題為《Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties》發表在頂級學術期刊《Nature Communications》上。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42326-y
Gao, S., Li, Z., Van Petegem, S. et al. Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties. Nat Commun 14, 6752 (2023).
為了解決這一難題，新加坡南洋理工大學機械與航空航天工程學院的Huajian Gao教授和劍橋大學工程系的Matteo Seita博士進行了創新性的研究，展示了如何通過控制激光粉末床熔融（LPBF）技術產生的合金的位錯密度和熱穩定性，來規避這一限制。他們通過控制合金的凝固組織，實現了在不使用機械變形的情況下，通過設計熱處理來產生再結晶。
在特定的條件下，這種策略可以設計和成形復雜的微觀結構，將具有不同微觀結構特征和性能的再結晶區域和非再結晶區域相結合。該研究還發現，這種微觀結構的異質性可能有助于提升材料的性能，相比于單一的微觀結構更優。這項研究展示了一種先進的方法，能夠同時直接控制多個微觀結構特征的演化，從而拓展了具有優化的機械和物理性能的工程材料的設計空間。
圖1.316L不銹鋼( SS316L )的激光粉末床熔融( LPBF )可控熱穩定性
圖2.通過改變激光掃描間距來調節再結晶的驅動力
圖3.通過重熔來調控凝固組織
圖4.316L不銹鋼( SS316L )激光粉末床熔融過程中的X射線衍射實驗
通過改變激光掃描間距來改變再結晶的驅動力，研究人員證明了其對微觀結構的控制能力。再結晶導致的晶體織構、晶粒結構和晶界特征分布的差異也可能激發其他微觀結構設計，從而獲得優異的性能或新穎的功能。例如，可編程的、位點特定的再結晶可用于優化材料對因疲勞或氫脆導致的失效的抵抗力。在這方面，研究人員期望這一策略適用于其他材料。
總的來說，該工作開辟了設計金屬零件的方法，這些零件不僅具有微觀結構優化的特性，還具有形狀復雜性帶來的拓撲優化性能。
這些突破性的研究成果已經以題為《Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties》發表在頂級學術期刊《Nature Communications》上。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42326-y
Gao, S., Li, Z., Van Petegem, S. et al. Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties. Nat Commun 14, 6752 (2023).
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