中美五校联合顶刊：高性能金属部件增材制造的晶粒结构、相和缺陷调控机制

时间：2023-11-23 18:34 来源：增材制造硕博联盟作者：admin 阅读：次

3D打印金属零件的性能和可用性取决于多种属性，包括化学成分、相、形态、晶粒尺寸和形状的空间分布、晶体结构和各种缺陷。由于需要优化多种工艺变量和参数，因此控制这些参量是一个主要挑战。工业相关的常见增材制造合金（如钢、镍、钛、铝和铜合金）以及功能梯度材料的所需性能千差万别，需要针对特定合金的策略进行控制。近期的综述文章阐述了加工-微观结构-性能关系，但未关注它们的控制策略。
近日，美国宾夕法尼亚州立大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、南京理工大学机械工程学院韦辉亮教授、美国俄亥俄州立大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员联合在《Progress in Materials Science》期刊发表了最新综述文章“Control of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic componentsControl of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic components”，回顾了控制晶粒结构、相和缺陷方面的最新进展。该综述强调了机械模型和数据驱动技术（机器学习、尺寸分析和统计方法等）等新兴数字工具在控制零件性能方面的应用。最后，确定了在金属打印领域进行高影响力研究的方向，并根据现有证据提出了未来展望。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

工艺参数对微观结构、晶粒结构和织构的影响
迄今为止，仅对5000多种合金中的少数进行了研究，以了解增材制造对性能产生有益影响的特殊特性。此外，正在开发专门用于增材制造工艺的新合金，以利用其独特的特性（例如多次热循环）来获得卓越的性能。打印含硅钢以获得用于电动机和变压器的特定晶体结构，或用于需要低热膨胀系数的应用的经济实惠的含镍和钴铁合金是新合金潜在有吸引力应用的例子具有独特的微观结构。利用丰富的铸造和焊接知识库，对现有合金的微观结构进行微小的改变，可能会解决增材制造中一些长期存在的问题。例如，人们早就知道高强度铝合金中的某些添加剂可以促进等轴晶粒的生长并防止凝固开裂。开发一个全面的知识库来理解微观结构特征以及它们如何与多种特性相关，这有助于建立可打印性数据库，在该数据库中可以检查合金工艺组合是否适合打印合适组件。除了揭示工艺-材料组合的结果外，它们还将继续丰富相变、元素偏析、亚稳相形成、晶粒和亚晶粒结构以及中尺度缺陷到小至晶体缺陷的基本原理在AM期间产生独特的特性。

更好地理解性能的独特组合

零件的适用性取决于多个性能的组合。优化工艺组合以实现所需的性能组合无疑会产生前所未有的独特性能组合。克服强度-延展性权衡就是一个很好的例子。在大多数情况下，合金强度的增加伴随着延展性的降低。然而，在某些不锈钢和其他合金中，这种常见的范例已被克服，并且已经实现了其中一个或两个性能的同时改进。当我们研究底层机制时，新知识无疑会带来更好的零件性能和适用性。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

新合金
铁基、铝基、镍基和钛基合金的晶体结构由它们所含溶质修饰的溶剂原子的晶胞决定。添加溶质的性质和数量是控制合金凝固行为、晶粒形态、相组成和机械性能的基础。然而，众所周知，金属材料的微观结构对冷却速率和应力等外部脉冲非常敏感。增材制造中使用的现有铁基、铝基、镍基和钛基合金并不是专门为增材制造设计的。增材制造的大多数变体都涉及多个热循环，这些循环会影响金属部件的微观结构和性能。可以预测热循环的过程模型正在出现。然而，预计将过程变量与零件的微观结构和性能相关联是一个缓慢的过程，因为过程变量数量多、范围广，以及微观结构和性能的合金特定性质。高级建模可以帮助控制热循环，这有助于深入了解微观结构的演变。此外，新合金和功能分级材料的开发将继续进行，当暴露于AM条件时，可以产生满足零件性能需求的微观结构和性能。

(责任编辑：admin)

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