「3D打印态」钛合金具有均匀且不间断的柱状晶，获得良好的抗蠕变和抗疲劳性

激光粉末床熔融(LPBF)是最流行的金属增材制造技术，能够制造具有定制机械性能的金属部件。这些特性在很大程度上取决于LPBF过程中的微观结构演变。材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素，通过改变材料的微结构，可以获得增强的各向异性机械和物理行为，如更高的强度、更低的杨氏模量、更高的抗蠕变性和抗疲劳性以及更高的导电性。

对于激光粉末床熔融金属3D打印技术，修改打印参数（如激光功率、扫描速度、扫描策略和层间旋转等）可以产生不同的热历史和凝固条件。因此，实现所需的微观结构需要将工艺参数与凝固参数相关联，如温度梯度、凝固速率、热流方向和熔池几何形状等。

以往的研究发现：AlSi12在较高激光功率和较低扫描速度下可获得较粗的晶粒和较高体积分数的<001>取向晶粒；β型钛合金采用XY扫描而无旋转策略时可获得各向异性的微观结构，沿构建方向的样本杨氏模量较低；也有研究人员提出，扫描策略的变化导致的不同凝固模式会显著影响晶粒尺寸、晶粒纵横比、泰勒因子和晶粒取向，进而影响LPBF制造的HastelloyX试样的机械性能。除了上述参数外，光束整形也被认为是一种修改打印部件微观结构的新方法，研究发现椭圆光束可获得更细的等轴晶粒、更高的泰勒因子和机械性能。

(a) 设计的样品(b)3D打印的原位热处理样品(c)3种可能顶面

在这项研究中，研究人员采用一种新方法来控制Ti5553合金在LPBF过程中微观结构的形成，该合金是一种在航空工业中具有广泛应用的材料。实际过程很简单，就是在初始激光扫描之后立即进行能量输入低的多的二次激光扫描，在凝固层上提供较薄的重熔层。该薄层具有更均匀的凝固模式，导致沿构建方向形成了细长晶粒。

这是一种原位热处理方法，激光后曝光扫描起着关键作用。由于凝固层的重熔可以降低凝固的成核障碍，因此假设初始（主）熔池顶部的第二浅熔池可能会影响晶粒形成。经激光后曝光处理的3D打印态零件与定向凝固工艺获得的材料相当，具有良好的抗蠕变和抗疲劳性。值得一提的是，目前的研究是首次在LPBF过程中使用原位激光处理来控制合金中晶粒结构的科学尝试。

(a)原位热处理样品的显微图像，大的初始熔池和浅的二次熔池(b)二次熔池中的晶粒生长方向几乎是垂直的(c)大初始熔池顶部的晶粒生长方向几乎是水平的

(a)参考样本和(b)曝光后处理样本的EBSD图和OM图像：参考样品的近表面等轴细晶粒在曝光后处理后消失

研究人员认为，二次扫描的熔池在凝固过程中发挥了突出作用，其减少了凝固层的现有晶粒数量，这将减少下一层的成核位点的数量。与常规（无二次重熔）条件相比，二次重熔通过抑制新晶粒成核，使最终微观结构中存在新晶粒的概率要低得多，能够促进垂直于基板的细长且不间断柱状晶粒的更均匀生长。同时，二次扫描使每个层的顶部形成均匀的浅熔池，抑制了初始（主）熔池侧面的横向（水平）晶粒生长。低能量的二次扫描所输入的额外热量导致了更均匀的凝固模式，从而为获得均匀且不间断的晶粒结构创造了条件。

总的来说，这项研究首次提出了激光后曝光处理（具有明显较低能量的二次激光扫描），作为LPBF过程中原位微观结构控制的新方法，可真正实现控形控性。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100110