增材製造過程中對於微觀組織演變的深刻理解有助於製備出高性能的零件。研究表明，增材製造微觀組織在快速凝固的過程中容易沿著某一特性的取向進行生長，形成較強的織構。而由於工藝參數的差異，這種取向會發生略微的變化。但
目前對於微觀組織形貌的空間分佈和晶體學取向的形成機制仍不明確。來自英國帝國理工大學的研究表明，通過調整掃描策略可以降低強織構的形成，並且研究了側向枝晶在改變取向中的作用，闡述了增材製造微觀組織的演變機制。相關論文以題為“The role ofside-branching in microstructure development in laser powder-bed fusion”於2月6日發表在Nature Communications。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14453-3
作者以316L不鏽鋼和CrMnFeCoNi高熵合金為原材料，採用SLM工藝進行單道和多層多道實驗，利用有限元模擬在不同掃描模式下局部溫度梯度的變化。並且對不同掃描策略下的組織進行了表徵分析。對於單道掃描路徑下，由於熔池中心的溫度梯度最大，沿著垂直於基板方向容易形成穿透多層的柱狀晶。複雜掃描策略下，在熔池邊上由於多道搭接對溫度梯度產生影響，並且熔池本身溫度梯度的變化也極為複雜，晶粒生長不會一直沿著平行於打印方向生長，這促使了側向枝晶的生長。這使得原本在一個熔池中的晶粒生長方向和晶粒尺寸發生變化，進而形成複雜的微觀組織形貌。
單道與多層多道成型高熵合金的凝固組織
打印過程中的氣孔也會導致凝固生長方向發生改變。其中小氣孔對於凝固組織幾乎沒有影響，而大氣孔可以完全改變凝固組織的生長取向和微觀組織形貌。這主要是由於氣孔使得原本穩定的溫度梯度和凝固速率降低而產生。
316不鏽鋼中氣孔和微觀組織變化
316不鏽鋼中由於連續生長和側向枝晶生長引起的微觀組織變化
雙向往返掃描策略成型316不鏽鋼和高熵合金(HEA)的微觀組織
在雙向掃描沉積過程中，已凝固的焊道使得新熔池側邊的溫度梯度方向沒有沿原來晶粒的生長方向，新熔池凝固晶粒沿著凝固晶粒的側向分支進行外延長大，從而在兩個相鄰的掃描軌跡上大幅度地擴展晶粒。也就是說側向枝晶在競爭生長中有巨大的影響。棋盤式掃描策略中由於側向枝晶的作用，使得晶粒生長呈螺旋式。
棋盤掃描策略下高熵合金晶粒的螺旋式生長
側向枝晶生長產生的另一個重要作用是其對塑性各向異性的影響。改變掃描策略可以大大減小材料的各向異性。這對增材製造零件的性能改善有很大意義。
3D打印金屬沉積中由於側向枝晶的生長產生了“縱橫交錯”的層狀微觀組織和晶粒長大。特別是在改變掃描策略時，側向枝晶主導微觀組織的形成。此外，由於氣孔的局部絕熱效應，微觀組織尺度的變化與大孔隙的存在密切相關，大氣孔的存在導致微觀組織的粗化。（文：砰砰砰砰）
閱讀更多 材料material 的文章
