南洋理工&剑桥大学:新方法实现金属3D打印微观结构和性能可编程定制! - 3D打印技术参考

南洋理工&剑桥大学:新方法实现金属3D打印微观结构和性能可编程定制!

                   

在材料学中, 通常会使用机械和热工艺相结合的方式调整材料的微观结构和机械性能。例如,通过控制金属锻造和挤压过程中引入的机械应变量,使位错积累来硬化材料,或在热处理 (HT) 时触发微观结构再结晶,这是一种无缺陷晶粒成核和生长的现象,可以产生更高的韧性和更各向同性的机械性能。

然而,这种做法不适用于增材制造生产的近净形状金属零件,因为材料和几何形状是在增材制造过程中同时形成的,因此使用典型的敲击方法来使其微观结构发生变化,势必会损害零件结构。因此,与传统制造路线相比,增材制造提供的控制金属微观结构和调整其性能的机会较少。大量研究目前集中在设计增材制造工艺上,旨在优化打印时的微观结构。

南洋理工&剑桥大学:新方法实现金属3D打印微观结构和性能可编程定制!

由新加坡南洋理工大学和剑桥大学共同领导的研究团队从“加热和敲打”方法中获得了灵感,开发了类似于锻造的新工艺,并用于金属粉末床3D打印,实现了将不同的材料性能集成到一个零件中。这项突破性的技术不同于传统的金属加工方法,因为它不需要额外的原材料或复杂的机器处理,而且可以降低制造成本。相关研究于10月30日,以“Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties”发表在Nature Communications。

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实现方法
 
研究人员设计了加工策略来“编程”打印合金的热稳定性,以便可以先行确定材料的微观结构在高温处理下如何演变。研究发现,LPBF工艺生产的316L不锈钢的再结晶是由与传统生产的金属类似的机制驱动的,因为它需要最小的临界位错密度在一定温度下触发,这通常通过机械变形来控制。此外,材料完成再结晶的倾向取决于凝固微观结构中化学异质性的程度。溶质在微观结构中的微观偏析阻碍了晶界运动,并且产生的材料即使在高温处理之后也能保留大部分凝固时的微观结构特征。相反,化学成分更均匀的微观结构表现出较低的热稳定性,因此在热机械加工时更容易发生完全再结晶。
 
因此,在LPBF过程中直接控制位错密度和合金的化学异质性将允许在高温下设计材料的微观结构演变并“按需”驱动再结晶,而不需要任何额外的机械变形。为了实现这一目标,研究人员设计了两种不同的LPBF加工策略,分别生产具有高热稳定性和低热稳定性的316L不锈钢。两种策略的不同之处在于单层内熔体彼此的接近程度,这会影响激光扫描同一层的次数;即先前凝固的材料是否被重熔。通过改变填充间距,研究人员可以控制几何必要位错的密度(适应局部塑性应变梯度),同时通过重熔,可以促进局部化学成分的均匀化,从而减弱微观偏析。实际上,通过对扫描间距的调节,研究重熔次数,是一个比较新颖的角度。
 
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通过LPBF工艺实现不锈钢316L的可编程热稳定性
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通过改变激光扫描间距来定制再结晶的驱动力
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316L不锈钢激光粉末床熔化过程中的原位X 射线衍射
 
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层状微结构的拉伸行为

通过改变激光扫描间距来改变再结晶的驱动力,研究人员证明了其对微观结构的控制能力。再结晶导致的晶体织构、晶粒结构和晶界特征分布的差异也可能激发其他微观结构设计,从而获得优异的性能或新颖的功能。例如,可编程的、位点特定的再结晶可用于优化材料对因疲劳或氢脆导致的失效的抵抗力。在这方面,研究人员期望这一策略适用于其他材料。
 

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南阳理工大学的研究人员

总的来说,该工作开辟了设计金属零件的方法,这些零件不仅具有微观结构优化的特性,还具有形状复杂性带来的拓扑优化性能。

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