增材製造工藝參數（如激光功率、掃描速度、搭接間距、掃描策略等）對成型後的微觀組織和力學性能的穩定性有著極大的影響。在製造過程中，通常採用合適的工藝窗口來更好的控制製造過程，同時能獲得製造過程中的熱模擬模型，以便掌握零件製造過程中的受熱變化。
而熱模型可以用來模擬增材製造材料凝固過程中的微觀組織變化、熱梯度變化以及固液界面的液體流速變化等；再加上動力學蒙特卡洛方法、元胞自動機等方法對模型的修正，可以很好的獲得對應的增材製造過程中的微觀組織變化規律。
但是這不僅忽略了凝固過程中的形核與長大過程，而且還忽略了凝固組織取向的變化對力學性能帶來的影響。來自美國加州大學聖塔芭芭拉分校的研究表明，在凝固方向上，晶粒內部存在一定的取向差，並且其取向差與成分偏析有關，這對增材製造的材料設計提供了一種思路。相關論文以題為“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”於2月15日發表在金屬材料領域頂刊Acta Materialia。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645419307189
作者基於LENS增材製造技術製備樣品，利用基於飛秒激光TriBeam系統、FIB以及EBSD技術對樣品進行逐層掃描，獲得每一斷層的EBSD數據，再進行三維重構，從而得到晶粒組織的三維形貌。利用K均值聚類算法，獲得晶粒的形核位置，以形核位置的取向為基準，標定晶粒在生長方向上的的取向差，並討論了三維晶粒形成的原因，發現隨著晶粒在熱梯度方向上的凝固，晶粒的最後凝固的部分具有最大的取向差；並結合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差與元素分佈的存在對應關係。
圖1 晶粒形貌與取向變化
圖2 聚類分析結果
圖3 元素分佈於取向差的對應關係
圖4 不同截面304不鏽鋼EBSD組織圖
增材製造過程中形成的偏析是很難通過後續的熱處理消除了，而偏析對於材料的性能具有不利影響，如材料的耐腐蝕性能。材料中形成的局部取向差可能會導致應力集中，這對材料的力學性能不利，進而降低材料的使用壽命。而通過調整增材製造工藝參數，控制材料的凝固過程可作為減小凝固形成的取向差的一種方法，提高材料壽命。同時，可根據傳統材料的成分，調整成分配比，減小凝固過程中低溫條件下的液相體積分數，可減少偏析。這為增材製造的材料成分設計提供了一種思路。
閱讀更多 材料material 的文章
