導讀：本文在定向能量沉積增材制造過程中，通過在空間上控制功能梯度不銹鋼中晶界鋸齒化程度。晶界鋸齒是多晶微結構中的一個吸引人的特征，因為它賦予了超強的抵抗裂紋擴展和熱腐蝕的能力。在微觀結構尺度上的定量測量與熱力學計算相結合，使我們能夠提出一種機制來解釋晶界鋸齒的起源。由Cr/Ni比控制的凝固過程中瞬態δ鐵素體的形成及其隨后在冷卻過程中的溶解導致了殘余鐵素體顆粒的形成，這些殘余鐵素體顆粒通過Smith - Zener釘扎現象阻礙了固態奧氏體晶粒的生長。這一發現為增材制造過程中的原位晶界工程開辟了新的視角。

功能分級是材料設計中一種令人興奮和新生的策略，它在實現對局部機械、熱或環境特性的精確控制方面具有重要的前景。增材制造( AM )，特別是熔粉快速成形定向能量沉積( DED )，已迅速成為制造功能梯度材料( FGMs )的有力工具。DED具有高度的通用性，為每種材料使用單獨的送粉器，可實現多材料沉積。使用DED的功能分級不僅已被證明可以實現精確的成分控制，而且它也已成為一種強有力的工具，通過復合電沉積多種材料以不同的比例設計新的合金。在預期的化學梯度之外，功能梯度有時會導致錯綜復雜的微觀結構，在梯度區域具有劇烈的拓撲變化，包括密集的GB網絡。多晶材料的GB網絡控制著其大部分的熱學、力學和環境性能。

數十年的研究工作旨在使用諸如晶界工程( GBE ) 等方法來裁剪這個網絡。一種特別尋求的拓撲特征GB鋸齒( GBS )：首先由Koul等人證明，GBS已被證明通過降低空化率和減緩裂紋擴展在高溫合金中達到850℃來提高蠕變抗力。GBS還通過阻礙硫和氧的逾滲來緩解熱腐蝕。GBS普遍存在于許多材料中，包括鎳高溫合金，不銹鋼，鋁合金，鎂合金以及高熵合金。在變形鎳基高溫合金中，GBS的機制已經進行了大量的研究，其中GBS通常通過特殊的退火處理通過固態加工觸發。GBS起源于從過固溶溫度冷卻過程中第二相粒子的不連續析出，典型的有γ ' ( Ni3Al ) 、γ '或δ ( Ni3Nb ) 析出物或M23C6、M7C3碳化物。導致GBS的主要機制與Smith - Zener釘扎類似：冷卻時，第二相粒子對遷移晶界施加抵消壓力，局部抑制其運動。與顆粒接觸的部分邊界保持靜止，其余部分邊界輕微移動，導致波浪形拓撲結構。GBS起源機制的基本知識已被用于新的合金設計范例以及具有優異性能的變形多晶合金的創新加工途徑。

本文揭示了通過使用原位合金化生產的功能梯度不銹鋼中存在強烈的GBS變化作為Cr/Ni比的函數。與先前報道的GBS機制不同，鋸齒在凝固過程中動態形成，δ鐵素體顆粒作為奧氏體晶粒生長的釘扎點。同時，熱力學計算揭示了GBS程度與凝固模式轉變之間的直接關聯：低Cr/Ni比合金中的奧氏體向鐵素體( AF )轉變，而高Cr/Ni比合金中的鐵素體向奧氏體( FA )轉變。鋸齒指數的量化與鐵素體顆粒的釘扎壓力有關，并取決于凝固過程中形成的瞬時鐵素體的比例。

美國伊利諾伊州伊利諾伊大學作了相關研究，其研究成果以“Functionally graded stainless steels with tailored grain boundary serration”為題，發表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004372

圖1顯示了所有打印材料的EBSD圖。構建方向( BD )是垂直于表面的，映射以逆極圖( IPF )顏色顯示，表明晶體學方向與BD平行。高角度GBs，定義為取向差大于15 °的GBs，在黑色中突出顯示。雖然所有材料都表現出柱狀晶結構(圖1a , c)，但GB形貌在316L中定性地呈現平面狀(圖1a )，而在304L材料中則呈現明顯的波浪狀。梯度材料由5個相鄰區域組成，304L / 316L比例分別為10 / 90、30 / 70、50 / 50、70 / 30和90 / 10，自下而上沉積。每個區域包含10個沉積層，如圖1b所示。圖1b顯示了用Carpenter試劑腐蝕的功能梯度材料的拋光截面。在單一的一組制造參數下打印的FGM中沒有觀察到缺陷。熔池從一層到另一層是連續的，在梯度區域之間沒有可見的打印不穩定性。從每個梯度區域切取樣品以進行更詳細的表征。圖1c表明，隨著304L / 316L比例的增加，GBS定性增加，而晶粒尺寸(見附錄。A為晶粒尺寸測量值)沒有明顯變化。從304L / 316L比例為50 / 50到70 / 30的區域可見GB形態的急劇轉變。由直接作用和間接作用測得的Cr、Mo、Ni和Mn含量如圖2a所示。正如預期的那樣，所有元素在梯度上呈線性變化，隨著Cr和Mn的增加而增加，隨著304L含量的增加而減少Ni和Mo。

圖1.所有打印材料的微觀結構。a ) 304L和316L的EBSD圖，b )宏觀腐蝕的功能梯度樣品，c ) FGM中五個區域的EBSD圖。所有EBSD圖均采用IPF顏色進行編碼，編碼方向為建圖方向，垂直于表面。

圖2.打印微結構的統計表征。顏色對應于圖1中的不同區域。a )直接作用和間接作用圖中Cr，Ni，Mo和Mn的重量分數，b )用Tang等的方法計算的鋸齒指數，c )X射線衍射圖，d ) δ鐵素體的Smith - Zener釘扎壓力。x軸上的分數與304L / 316L的比值相對應。

圖3.打印合金的亞晶尺度微觀組織分析。a ) 10 / 90材料的BSE圖像顯示取向和相襯，b ) 316L的STEM - HAADF圖像和c )相應的TEM - EDS成分剖面顯示細胞壁( b中的箭頭)處富集Ni、Cr和Mo，d ) 90 / 10材料的BSE圖像顯示被δ鐵素體顆粒釘扎的晶界和與晶界空間相關的胞狀結構，e ) 304L的STEM - HAADF圖像和f )相應的TEM - EDS成分剖面顯示細胞壁( e中的箭頭)處富集Cr和貧化Ni。

圖4.從thermocalc程序中獲得的偽二元Fe Nieq Creq相圖，a )用藍色虛線突出顯示凝固模式的相圖，b )我們用EDS測量的打印合金的成分與相圖重疊。顏色對應于圖1中的不同區域。

圖5.304L中兩個鋸齒狀晶界周圍的EBSD圖。a ) IPF著色圖與灰階的質量指數( IQ )圖重疊，其中δ顆粒表現為暗特征；B )對應的GND密度圖；C )第二個區域的IPF - IQ圖；D )白色GB對應的GND密度圖。