生產(chǎn)性能優(yōu)于傳統(tǒng)部件的金屬部件已成為金屬增材制造（AM）的主要研究重點。無加工缺陷的增材制造部件的機械性能在很大程度上取決于其微觀結(jié)構(gòu)。因此，在零件制造過程中控制微觀結(jié)構(gòu)演變的能力有利于生產(chǎn)出具有可預(yù)測機械性能的復(fù)雜形狀。此外，定制微觀結(jié)構(gòu)的能力應(yīng)能適應(yīng)各種 AM 技術(shù)。由于不銹鋼 316 L（SS316L）廣泛應(yīng)用于惡劣和腐蝕性環(huán)境下的許多工業(yè)領(lǐng)域的一般用途，因此對其要求尤其高1,2。

在這項工作中，我們通過在一組恒定的加工參數(shù)下系統(tǒng)地改變粉末尺寸，來探索 PSD 對使用 L-DED 工藝打印的 SS316L 的微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。這種從單軌沉積到塊狀樣品的受控研究有助于分離微結(jié)構(gòu)演變對 PSD 變化的響應(yīng)。利用這一作用，我們報告了一種熔池工程 (MPE) 方法，在這種方法中，我們利用 L-DED 展示了特定部位的微觀結(jié)構(gòu)控制。此外，我們還利用 PSD 變化對粉末床熱物理性能的影響以及由此對熔池凝固行為的影響，實現(xiàn)了對 E-PBF 工藝中微觀結(jié)構(gòu)演變的雙向控制。這種方法能在不增加成本的情況下，使粗顆粒和細顆粒 PSD 分別形成細等軸狀和粗柱狀微觀結(jié)構(gòu)。

我們通過在原位交替使用細粉和粗粉原料（方法），利用粉末尺寸對預(yù)熱的影響來賦予特定部位的微觀結(jié)構(gòu)，如概念驗證（POC）部件（圖 1d-f）所示。圖 1d-f），采用 L-DED 打?。ㄑa充圖 2a），使用一組恒定的工藝參數(shù)（300 W 激光功率、1000 mm min-1 掃描速度、3.25 g min-1 粉末流速、0.2 mm 層高和 0.5 mm 間距），蝕刻后設(shè)計的 "NTU "字母清晰可見。POC 部分的 "字母 "區(qū)（圖 1e 中用 L 表示）使用粗粉印刷，而 "矩陣 "區(qū)（圖 1e 中用 M 表示）則使用細粉印刷。細粉和粗粉原料的交替使用是通過執(zhí)行 G 代碼來實現(xiàn)的，該代碼交替打開和關(guān)閉裝有兩種粉末的料斗，同時沉積過程不受阻礙地進行。值得注意的是，可以觀察到兩個不同的晶粒微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域，以及黃色垂直虛線圍成的過渡區(qū)域。

相共研究成果以“Powder-size driven facile microstructure control in powder-fusion metal additive manufacturing processes”發(fā)表在nature communications上

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47257-w#Sec24

圖 1：3D 打印 SS316L 顯微結(jié)構(gòu)中 PSD 驅(qū)動的晶粒形態(tài)和尺寸控制。

a 顆粒預(yù)熱溫度隨顆粒大小和激光功率的變化。b 顯示飛行時間和溫度隨顆粒大小變化的示意圖。顆粒的顏色與溫度相對應(yīng)（Batlow 顏色調(diào)色板52 上的茶色到粉紅色分別表示從低溫到高溫的變化）。c 在 300 W 激光功率下獲得的顆粒尺寸預(yù)熱溫度變化，以及針對細粉和粗粉測量的 PSD。d 在這項工作中，通過與顆粒尺寸相關(guān)的 MPE 方法，對概念驗證 (POC) 部件實現(xiàn)了復(fù)雜的晶粒微觀結(jié)構(gòu)控制。相關(guān)刻度線長度為 5 毫米。字母'N'的基體（M）和字母（L）區(qū)的水平界面放大圖顯示了利用電子反向散射衍射（EBSD）獲得的晶體取向圖（IPF-z）。f 在字母 "N "的示意圖上疊加了狗骨輪廓，向外的箭頭突出顯示了樣品中拉伸券的排列。在變形區(qū)域獲得的 EBSD 晶體取向和孿晶邊界分布圖顯示了細粉和粗粉區(qū)域?qū)ψ冃蔚拿黠@反應(yīng)。拉伸試樣截面的大尺度 EBSD 圖的比例尺為 2 毫米。

圖 2：SS316 L 的 DED 印刷單軌熔池結(jié)構(gòu)和晶粒形態(tài)。

a 工藝參數(shù)設(shè)置 2-18 的單軌沉積所得晶粒寬度和長寬比的變化。誤差條代表平均值的±標(biāo)準(zhǔn)誤差。(i)和(ii)分別是使用參數(shù)集 #3（區(qū)塊制造參數(shù)）、細粉末和粗粉末沉積的單軌橫截面上獲得的 IPF-z 圖。圖中的白色虛線劃分了熔池邊界。b 沉積珠示意圖及相關(guān)尺寸和術(shù)語。h、d 和 w 分別表示珠子高度、熔池深度和熔池寬度。

圖 3：DED 工藝中 PSD 驅(qū)動的微觀結(jié)構(gòu)控制。

(a)細粉、(b)FC 粉和(c)粗粉坯樣的熔池/微結(jié)構(gòu)觀察。所有刻度均為 500 微米。d 細粉、FC 粉和粗粉樣品晶粒寬度和長寬比的量化測量結(jié)果。

圖 4：用于預(yù)測 PSD 對燒結(jié)粉床熱物理性質(zhì)影響的 ML 框架。

a ML 框架展示了從模擬顆粒微觀結(jié)構(gòu)到有限元分析模擬和 ML 算法的數(shù)據(jù)流。b ML 框架獲得的導(dǎo)熱系數(shù)（k）和粉末床層密度（PBD）響應(yīng)曲線。白色箭頭表示反應(yīng)曲線上 k 的增大方向。使用 µ-CT 掃描分別分析的 (c) 細燒結(jié)粉末床和 (d) 粗燒結(jié)粉末床的代表性 3D 效果圖，以及各自的模擬顆粒微觀結(jié)構(gòu)。插圖是以相同放大倍率拍攝的細燒結(jié)粉末床和粗燒結(jié)粉末床的 FESEM 顯微照片。

圖 5：將粉末尺寸驅(qū)動的 MPE 應(yīng)用于 E-PBF 工藝，以實現(xiàn)便捷的大規(guī)模晶?？刂啤?/span>

從 E-PBF 制成的 (a) 細粉和 (b) 粗粉樣品的 EBSD 中獲得的 IPF-z 圖。(a) 和 (b) 中的刻度線均為 100 µm。c 細粉和粗粉樣品中晶粒大小和形狀的定量分析。通過對 E-PBF-細、E-PBF-粗、L-DED-細和 L-DED-Coarse EBSD 地圖中獲得的等軸晶粒體積分?jǐn)?shù)的實驗觀察，確定了 6.64 × 1013、4.26 × 1014、3.14 × 1015 和 4.01 × 1015 四種不同的成核密度 No 值。PDAS 代表主枝晶臂間距。

圖 6：E-PBF 和 L-DED 制成的細粉和粗粉樣品的機械響應(yīng)。

a L-DED 和 E-PBF 樣品沿構(gòu)建方向測試獲得的拉伸響應(yīng)曲線。b E-PBF 樣品獲得的工程應(yīng)力與應(yīng)變（%）對比，突出表明粗粉樣品獲得的 FG 等軸微組織改善了機械各向同性。H 表示水平方向，V 表示垂直方向（或構(gòu)建方向）。c、d 分別為細粉和粗粉樣品的 IPF-z 圖，距離斷裂面 3 毫米。EBSD 圖中觀察到的孿晶邊界以白色顯示，并用深藍色箭頭標(biāo)出。e、f）中的插圖是利用 TEM 獲得的相應(yīng)選區(qū)電子衍射（SAED）圖。c-f）的拉伸測試方向沿圖中平面。

總之，我們不僅證明了顆粒原料的 PSD 對 AM 微觀結(jié)構(gòu)的影響，還探索了它對特定部位微觀結(jié)構(gòu)的控制。細粉和粗粉的最終樣品均保留了 SS316L 的原始化學(xué)成分。我們實現(xiàn)了對晶粒微觀結(jié)構(gòu)的便捷控制，即實現(xiàn)了晶粒形態(tài)和尺寸的寬廣范圍，而這在以前是很難實現(xiàn)的。我們的三維打印樣品的近等軸FG微觀結(jié)構(gòu)是獨一無二的，它為SS316L等傳統(tǒng)合金的應(yīng)用提供了非凡的可能性，如高強度和延展性、機械各向同性和均勻性以及超塑性。相反，從細粉中獲得的近單晶微觀結(jié)構(gòu)為打印鎳基超合金單晶提供了指導(dǎo)，從而獲得理想的高溫抗蠕變性。