西工大突破：无需热处理即可获得高性能金属3D打印合金材料

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103443

对于金属3D打印的零件，为了进一步调节机械性能，通常需要对零件进行热等静压 (HIP) 等热处理。例如，基于高温高压条件的热等静压可以减少甚至消除增材制造零件内部的孔隙或微裂纹，从而提高机械性能，尤其是延展性和韧性。同时，增材制造零件的热处理通常需要消除内应力，恢复所需的延展性和韧性，改变磁导率, 或对沉淀强化材料实现固溶强化和进一步沉淀强化, 但对大多数金属材料仍无法减少缺陷。虽然这些处理能够在一定程度上优化LPBF制造部件的性能，但由于温度升高，打印态的分层微观结构消失了，特别是对于固溶强化和沉淀-强化材料以保持均匀和过饱和的基质，这也可能导致异常晶粒生长。异常的晶粒生长会导致晶粒粗大，当晶粒尺寸超过某个阈值时延展性会严重下降。同时，增材制造零件特有的分层异质微观结构，包括柱状晶粒、熔化边界、低角度晶界和高密度位错，有助于提高强度而不会明显损失延展性，它们的消失会降低相应的强化效果。

原位热处理，也即在打印过程中实施，已经成为当前研究的热点。利用LPBF的逐点沉积特性，研究人员通过创新设计和操纵打印过程来实现对凝固条件的特定控制，从而实现对微观结构演变的控制，力图不需要进行额外的热处理。有研究人员设计了一种双通道激光处理，以同时修复打印后的低碳马氏体钢中的凝固裂纹，减少化学偏析并诱导有利相。也有研究人员通过适当调节沉积参数，促进沉积过程中的固有热处理，在选择性激光熔化的商用纯钛中实现了柱状到等轴的控制和原位晶粒细化。通过新的扫描策略，也可原位操纵微观结构和机械性能演化，例如打印出的具有受控梯度晶体结构和特定位置异质微结构的316 L不锈钢，展示了采用3D打印创建功能梯度材料和定制性能的潜力。

受上述工作的启发，西工大的研究人员提出了一种原位重熔策略，用于调整NiCoCr中熵合金在LPBF打印过程中的熔池和微观结构，以进一步增强强度-延展性协同作用。NiCoCr已被证实在室温和低温下具有更好的机械性能组合，这归因于其固有的低堆垛层错、早期缠绕优点和化学短程有序效应。通常，通过控制激光功率和扫描速度等沉积参数来改变熔池并优化沉积质量，而由于能量不足或过多，在大范围的激光能量输入下很容易形成未融合或小孔。研究人员使用新颖的原位重熔策略来控制熔池的几何形状并保证不会形成匙孔。同时，原位重熔工艺不仅在不牺牲异质微观结构的情况下有效实现了微观结构致密化和晶粒细化，而且在LPBF重熔NiCoCr合金中形成了独特的晶体层状织构并增加了位错密度，从而在不牺牲延展性的情况下显著提高了强度。借助多学科表征技术，系统研究和揭示了由额外激光重熔过程引起的潜在微观结构演变以及相应的强化和韧性机制。

NiCoCr材料和打印策略

不同加工条件下的性能对比

总的来说，原位重熔处理不仅改变了熔池几何形状，有利于优化致密化和形成独特的晶体层状微观结构，而且还促进了制造过程中固有的热变形和热处理，从而增加了打印过程中的位错密度和晶粒细化。这项工作为金属3D打印提出了一种新的工艺策略，无需额外热处理即可定制微观结构来增强机械性能。