金属和陶瓷粉末床熔炼增材制造中各向异性结晶织构的控制——综述(2)
时间：2022-10-09 17:15 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
值得注意的是，在Sofinowski等人的研究中，扫描方向每旋转1°，纹理似乎没有显示出连续变化，而是离散变化。这意味着当L-PBF期间扫描策略改变时，纹理中出现瞬态区域。最近的一项研究清楚地阐明了这一点。图7a、b、c、d、e和f显示了在Ti-15Mo-5Zr-3Al样品中测量的晶体取向图，其中扫描策略在L-PBF制造过程中定期改变。在该研究中，应用了两种不同的扫描变化方案，如图7a、b和c所示，交替进行X扫描和XY扫描，或如图7d、e和f所示，在X扫描和Y扫描之间交替进行。扫描策略每30层改变一次。图7（a，d）、（b，e）和（c，f）分别表示在y–z横截面上沿x、y和z方向分析时的晶体取向颜色。在图7中，扫描策略更改的位置由水平灰线表示。如上所述，两种变化方案都证实了马赛克状纹理的演变，证明了L-PBF中扫描策略控制的有效性。值得注意的是，纹理的瞬态行为因扫描策略而异。当X扫描和XY扫描交替进行时，<110>和<100>纹理演变的面积分数显著不同。然而，扫描策略在相同的30层周期内交替改变。如图7b和c所示，它们分别显示了沿y和z方向的晶体取向，红色表示的<100>纹理的面积比绿色表示的<110>纹理的要宽得多。
图7通过（a–c）X扫描和XY扫描以及（d–f）X扫描与Y扫描之间的交替变化，在bcc-Ti-15Mo-5Zr-3Al样品制造过程中改变扫描策略，显示纹理变化的晶体取向图。y–z剖面观察结果；颜色表示晶体沿（a，d）x-、（b，e）y-和（c，f）z方向的取向。扫描策略发生变化的位置用水平灰线表示，纹理产生变化的位置由蓝色和红色虚线表示。
此外，当X扫描和Y扫描交替进行时，如图7d、e和f所示，演化纹理本身的性质因扫描策略的交替而改变。在理想的X扫描中，<100>、<011>和<011>的晶体取向分别沿X、y和z方向排列，如图1c所示。同样，在理想的Y扫描中，预计<011>、<100>和<011′>晶体取向的演变分别沿x、Y和z方向。因此，当聚焦于沿z方向的晶体取向时，预计仅沿<011′>（以绿色显示）对齐，因为<011″>是X扫描和Y扫描样品中演变的纹理的典型方向。然而，图7f中的观察结果表明，在X扫描和Y扫描之间的过渡区中，出现了一个意外的<100>纹理（以红色显示），<100>沿z方向排列，面积比例相对较大。
这些结果表明，纹理形成机制不仅受扫描策略的控制，而且与柱状细胞相对于原有基底（基质）易于外延生长相关的“纹理稳定性”也起着重要作用。在使用单晶起始板的研究中，进一步定量地讨论了“织构稳定性”。
非立方材料的织构演化；晶体对称性作为控制因素
AM的一个众所周知的优点是，它可以用于制造复杂几何形状的产品，而这些产品无法使用标准制造技术进行制造。这包括高温结构材料，通常在室温下表现出脆性。通过选择性激光加工（包括SLM（L-PBF）和选择性激光烧结（SLS））制造氧化铝、碳化硅、磷酸钙和氧化锆等陶瓷材料。然而，此类陶瓷材料的纹理控制鲜有报道。
我们最近报道了L-PBF制造过渡金属二硅化物产品C11b–MoSi2和C40–NbSi2，预计将在1200°C以上的温度下使用。如果能够控制这些产品的织构发展，则可以提高其高温强度和抗蠕变性能。
图8显示了（a）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、（b）四方MoSi2和（c）六方NbSi2的L-PBF制备样品的代表性极图。在bcc Ti中，使用X扫描和XY扫描策略开发了沿构建方向排列的<011>和<100>的不同单晶结构（图1）。然而，四方MoSi2和六方NbSi2的织构特征不同。在四方MoSi2中，X扫描样品中形成了单晶织构，构建z方向和扫描X方向分别平行于<100]和[001]。然而，在XY扫描样品中，只有纤维状纹理的构建z方向平行于<100]，而没有单晶纹理。这些不同的纹理演变特征源于晶体对称性的差异，这影响了它们优先生长方向的“多样性”，如图9所示。
图8用立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的扫描策略比较极图的变化。
图9（a） L-PBF晶体结构、细长胞优先生长方向和织构发展之间的关系。（b）立方（bcc）Ti-15Mo-5Zr-3Al、四方MoSi2和六角形NbSi2的X扫描和XY扫描过程中，晶体结构纹理发展特征的变化示意图。
MoSi2中的C11b结构包含一个四方单元，其中三个bcc晶格沿c轴堆叠，如图9a所示。MoSi2中细长细胞的优先生长方向与<100]平行。在MoSi2的L-PBF中，柱状细胞的生长主要发生在纹理强烈的样品中垂直于扫描x方向的平面上，类似于图3f中的解释。因此，在X扫描样品中，平行于<100]的细胞优先生长，随后平行于<010]的横向生长发生在y–z截面上，因为在四方晶体中[100]和[010]方向在晶体学上是等效的。因此，垂直于[100]和[010]的[001]沿扫描x方向对齐。因此，形成了类似于fcc和bcc材料的单晶结构。
AM中纹理控制的未来展望
如上所述，金属和陶瓷AM的未来技术将不仅作为传统的基于识别的形状控制工具，而且作为允许自由控制晶体取向和微观结构的创新工具而发展。将任意形状控制与通过纹理控制控制材料属性相结合，将有助于开发迄今为止无法实现的高性能产品。例如图6所示的高功能植入材料的开发。另一个关注航空航天部件的例子是高性能涡轮叶片。如图10所示，叶片因旋转而受到离心力的部分由柱状晶粒或单晶组成，其晶体取向受到控制，而下部固定部分由随机多晶等轴晶粒组成，以确保抗疲劳性和低温韧性。通过这些方式，将在不久的将来开发出传统铸造技术无法制造的多功能产品，重点是同时控制AM产品的形状和纹理，以应用于各个领域。
图10仅可使用AM工艺制造的高性能涡轮叶片的概念图。（EBSD图只是一幅概念上显示柱状晶粒和等轴晶粒的图像，并非取自实际的镍基高温合金）。
为了扩大此类应用，需要增加在AM过程中可以控制其纹理的材料的数量。如本文所述，已发现许多金属和一些陶瓷的纹理控制潜力，无论其晶体结构如何。然而，AM对作为生物材料重要的Ti-6Al-4V或作为高温耐热材料重要的钛铝合金的织构控制尚未完全实现。原因是这两种合金在高温下都表现出固态相变。由于AM的织构控制基于对凝固过程的控制，因此很难抑制冷却过程中固态相变对织构的破坏。
结论
尽管AM优先考虑制造过程中的精确形状控制，但纹理控制也很重要，因为它是金属AM的独特特征。本文所述的最新发展使得能够有意控制产品中的纹理。精确的纹理控制与复杂的近净形状控制相结合，可以创建一个层次结构，其中的属性在原子尺度到毫米尺度的不同尺度下都是各向同性或各向异性控制的，从而实现前所未有的优越属性。
D-WAAM过程的沉积模型。
要控制L-PBF样本中的纹理，必须考虑以下因素：
1.必须控制L-PBF工艺参数，以实现柱状细胞的二维生长，限制在垂直于扫描x方向的y–z截面，从而实现向强纹理的演变。
2.由于y–z截面上的细胞优先生长，沿扫描方向的<001>排列是控制立方（fcc，bcc）材料纹理演化行为的最重要因素。
3.纹理形成机制不仅受扫描策略控制，还受纹理稳定性控制，这与柱状细胞相对于先前存在的基底（基质）容易外延生长有关。
4.在具有非立方晶体对称性的材料中，与立方材料中观察到的纹理相比，会产生不同的纹理。择优晶体生长方向的晶体学多样性是决定其织构特征的主要因素之一。
来源：Control of Anisotropic Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Metals and Ceramics—A Review, Advertisement, doi.org/10.1007/s11837-021-04966-7
参考文献：V. Bhavar, P. Kattire, V. Patil, S. Khot, K. Gujar, and R. Singh, Additive Manufacturing Handbook (CRC Press, Boca Raton, 2017), pp 251–253.
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