增材制造（AM），被認(rèn)為是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性突破。制造過(guò)程中，金屬粉末在高能激光或電子束的作用下瞬間熔化，在短時(shí)間內(nèi)形成微尺度熔池，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)~107 Km-1的溫度梯度與~107 Ks-14的冷卻速率。目前，在特定制造參數(shù)條件下，基于單晶基體外延生長(zhǎng)特性，利用高能激光，已成功制備單晶鎳基高溫合金。然而，目前通過(guò)增材制造獲得穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)以提供可靠的力學(xué)性能仍是重大挑戰(zhàn)，因此對(duì)增材制造過(guò)程中材料微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理的研究成為關(guān)鍵。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院等團(tuán)隊(duì)，利用原位實(shí)時(shí)X射線(xiàn)勞厄衍射，研究了第二代鎳基單晶高溫合金CSMX-4在激光重熔過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，觀測(cè)到熔池中晶體旋轉(zhuǎn)以及雜晶（SG）形成的瞬態(tài)行為。結(jié)合熱機(jī)械耦合有限元方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬，討論了增材制造過(guò)程中局部加熱異質(zhì)性引起的材料變形梯度對(duì)晶體旋轉(zhuǎn)的影響以及熔池底部雜晶的潛在來(lái)源。

該工作以《In situ observation of crystal rotation in Ni-based superalloy during additive manufacturing process》為題發(fā)表于《Nature communications》期刊。該工作解決了傳統(tǒng)手段無(wú)法原位表征增材制造的過(guò)程與微觀結(jié)構(gòu)，深入了晶體旋轉(zhuǎn)和雜晶形成機(jī)制的理解，從而有助于優(yōu)化增材制造方法，3D打印出擁有優(yōu)異性能的單晶產(chǎn)品。

        

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38727-8

激光重熔與原位表征系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置包括一塊厚度為0.8毫米的鎳基單晶高溫合金基板，一個(gè)選擇性激光熔化系統(tǒng)（SLM）和一個(gè)原位勞厄衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為表征基體材料初始與最終狀態(tài)，使用光鏡（OM）與EBSD進(jìn)行表征。最終樣品的OM圖像（圖1b）顯示由熔池邊界衍生出的外延晶粒擁有典型柱狀晶特征，其擁有高密度的亞晶界。對(duì)比樣品初始與最終狀態(tài)的EBSD圖像（圖1c）顯示沿枝晶生長(zhǎng)方向存在明顯的晶體學(xué)取向轉(zhuǎn)變，初始狀態(tài)與最終狀態(tài)之間存在~1.9°的取向差。

        

        圖1 鎳基單晶高溫合金在激光重熔過(guò)程中的微觀機(jī)構(gòu)表征

激光重熔過(guò)程原位勞厄衍射表征

勞厄衍射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間原位分辨，因而可用于研究增材制造、動(dòng)態(tài)加載等不可逆過(guò)程中材料的微觀結(jié)構(gòu)和組織演化規(guī)律，成為增材制造過(guò)程機(jī)理研究的重要工具。本研究利用原位勞厄衍射技術(shù)。作者利用超快X射線(xiàn)勞厄衍射對(duì)單晶樣品在激光重熔過(guò)程中熔池的微觀缺陷和組織的瞬態(tài)（毫秒級(jí)）演變。通過(guò)計(jì)算勞厄衍射斑點(diǎn)峰位與峰展寬，定量分析了材料在熔融與凝固過(guò)程中晶體旋轉(zhuǎn)與位錯(cuò)演變等機(jī)理。

圖2c中衍射斑點(diǎn)的重新出現(xiàn)，表示250 ms為凝固臨界起點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)枝晶的取向與基體相似，表示外延生長(zhǎng)枝晶延續(xù)了基體的取向。圖2d表示在光斑照射區(qū)域外延生長(zhǎng)的終點(diǎn)，因?yàn)樵诤罄m(xù)表征時(shí)間內(nèi)，衍射強(qiáng)度保持穩(wěn)定，然而仍有零星衍射強(qiáng)度較低的衍射斑點(diǎn)出現(xiàn)（圖2e），表示在該階段有部分尺寸較小的雜晶析出。因此，可以認(rèn)為在凝固過(guò)程中發(fā)生了外延生長(zhǎng)晶粒向雜晶的轉(zhuǎn)變。

        

        圖2 激光重熔過(guò)程中原位勞厄衍射圖像

通過(guò)分析勞厄衍射斑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量提取衍射角位移和衍射峰展寬（FWHM）隨時(shí)間的變化。其中，圖3a表示，重熔過(guò)程中搖擺曲線(xiàn)峰位變化，四個(gè)晶面首先沿Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)250ms時(shí)，激光停止工作，熔池開(kāi)始凝固，枝晶開(kāi)始生長(zhǎng)。此時(shí)，枝晶外延生長(zhǎng)方向與初始基底之間的取向偏差急劇上升至~2.5°，然后非常緩慢地衰減至1.5°-1.9°。圖3b，d表示χ與2θ方向上衍射斑點(diǎn)的FWHM隨時(shí)間的變化。可以發(fā)現(xiàn)，在激光加熱第一、二階段，半高寬同時(shí)增加，在250ms后，即凝固階段，開(kāi)始降低，最終外延枝晶的半高寬大于初始基底。

        

        圖3 激光重熔過(guò)程中衍射峰的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

晶體旋轉(zhuǎn)和雜晶形成機(jī)理

l 晶體旋轉(zhuǎn)機(jī)理

通過(guò)建立熱機(jī)械耦合有限元模型，成功復(fù)現(xiàn)了在激光加熱第一、二階段中晶面的旋轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)（圖4e）以及在凝固、冷卻過(guò)程中，晶面旋轉(zhuǎn)的演化（圖5b），該結(jié)果表明由于局部加熱不均勻引起的變形梯度場(chǎng)是主導(dǎo)晶體旋轉(zhuǎn)的機(jī)制。

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)熔池不同位置的[001]晶面存在取向偏差（圖5d），該偏差與溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)一致，因此表明外延枝晶與基體的取向差主要由于最大溫度梯度決定。

        

        圖4 激光加熱第一、二階段中晶格旋轉(zhuǎn)的熱機(jī)械耦合有限元仿真結(jié)果

        

        圖5 凝固過(guò)程中晶格旋轉(zhuǎn)的熱機(jī)械耦合有限元仿真結(jié)果

雜晶形成機(jī)理

根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，以及衍射半高寬分析，可以認(rèn)為增材制造過(guò)程中，雜晶形成機(jī)理如下：在凝固的初始狀態(tài)下，可能由于雜質(zhì)元素偏聚或激光掃描時(shí)局部加熱/冷卻異質(zhì)性，外延晶粒周?chē)忻芗奈诲e(cuò)分布。高密度位錯(cuò)作為優(yōu)先形核點(diǎn)，導(dǎo)致形核率迅速增加和局部過(guò)冷。因此，細(xì)小晶粒在形核點(diǎn)迅速累積。同時(shí)，由于各種缺陷和各向異性的溫度場(chǎng)，晶粒周?chē)嬖谥鴱?fù)雜的各向異性的應(yīng)力場(chǎng)。在位錯(cuò)和各向異性應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下，細(xì)小的亞晶粒從外延晶粒中捕獲位錯(cuò)，并在釋放應(yīng)力的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最后生長(zhǎng)成擁有不同形貌與取向的雜晶。

        

        圖6 凝固過(guò)程中缺陷演化的分子動(dòng)力學(xué)仿真

單晶增材制造

根據(jù)上述機(jī)理研究，作者提出以下在制備單晶中增材制造工藝的可能優(yōu)化：

1. 通過(guò)降低位錯(cuò)的引入以及保持較低水平的過(guò)冷度，從而抑制雜晶的生成。
2. 通過(guò)降低變形梯度以及保持適當(dāng)溫度梯度，例如使用平頂光束、層間反向掃描策略，從而抑制晶體旋轉(zhuǎn)。
            
來(lái)源：中子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室

增材制造（AM），被認(rèn)為是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性突破。制造過(guò)程中，金屬粉末在高能激光或電子束的作用下瞬間熔化，在短時(shí)間內(nèi)形成微尺度熔池，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)~107 Km-1的溫度梯度與~107 Ks-14的冷卻速率。目前，在特定制造參數(shù)條件下，基于單晶基體外延生長(zhǎng)特性，利用高能激光，已成功制備單晶鎳基高溫合金。然而，目前通過(guò)增材制造獲得穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)以提供可靠的力學(xué)性能仍是重大挑戰(zhàn)，因此對(duì)增材制造過(guò)程中材料微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)理的研究成為關(guān)鍵。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院等團(tuán)隊(duì)，利用原位實(shí)時(shí)X射線(xiàn)勞厄衍射，研究了第二代鎳基單晶高溫合金CSMX-4在激光重熔過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，觀測(cè)到熔池中晶體旋轉(zhuǎn)以及雜晶（SG）形成的瞬態(tài)行為。結(jié)合熱機(jī)械耦合有限元方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬，討論了增材制造過(guò)程中局部加熱異質(zhì)性引起的材料變形梯度對(duì)晶體旋轉(zhuǎn)的影響以及熔池底部雜晶的潛在來(lái)源。

該工作以《In situ observation of crystal rotation in Ni-based superalloy during additive manufacturing process》為題發(fā)表于《Nature communications》期刊。該工作解決了傳統(tǒng)手段無(wú)法原位表征增材制造的過(guò)程與微觀結(jié)構(gòu)，深入了晶體旋轉(zhuǎn)和雜晶形成機(jī)制的理解，從而有助于優(yōu)化增材制造方法，3D打印出擁有優(yōu)異性能的單晶產(chǎn)品。

        

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38727-8

激光重熔與原位表征系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置包括一塊厚度為0.8毫米的鎳基單晶高溫合金基板，一個(gè)選擇性激光熔化系統(tǒng)（SLM）和一個(gè)原位勞厄衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為表征基體材料初始與最終狀態(tài)，使用光鏡（OM）與EBSD進(jìn)行表征。最終樣品的OM圖像（圖1b）顯示由熔池邊界衍生出的外延晶粒擁有典型柱狀晶特征，其擁有高密度的亞晶界。對(duì)比樣品初始與最終狀態(tài)的EBSD圖像（圖1c）顯示沿枝晶生長(zhǎng)方向存在明顯的晶體學(xué)取向轉(zhuǎn)變，初始狀態(tài)與最終狀態(tài)之間存在~1.9°的取向差。

        

        圖1 鎳基單晶高溫合金在激光重熔過(guò)程中的微觀機(jī)構(gòu)表征

激光重熔過(guò)程原位勞厄衍射表征

勞厄衍射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間原位分辨，因而可用于研究增材制造、動(dòng)態(tài)加載等不可逆過(guò)程中材料的微觀結(jié)構(gòu)和組織演化規(guī)律，成為增材制造過(guò)程機(jī)理研究的重要工具。本研究利用原位勞厄衍射技術(shù)。作者利用超快X射線(xiàn)勞厄衍射對(duì)單晶樣品在激光重熔過(guò)程中熔池的微觀缺陷和組織的瞬態(tài)（毫秒級(jí)）演變。通過(guò)計(jì)算勞厄衍射斑點(diǎn)峰位與峰展寬，定量分析了材料在熔融與凝固過(guò)程中晶體旋轉(zhuǎn)與位錯(cuò)演變等機(jī)理。

圖2c中衍射斑點(diǎn)的重新出現(xiàn)，表示250 ms為凝固臨界起點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)枝晶的取向與基體相似，表示外延生長(zhǎng)枝晶延續(xù)了基體的取向。圖2d表示在光斑照射區(qū)域外延生長(zhǎng)的終點(diǎn)，因?yàn)樵诤罄m(xù)表征時(shí)間內(nèi)，衍射強(qiáng)度保持穩(wěn)定，然而仍有零星衍射強(qiáng)度較低的衍射斑點(diǎn)出現(xiàn)（圖2e），表示在該階段有部分尺寸較小的雜晶析出。因此，可以認(rèn)為在凝固過(guò)程中發(fā)生了外延生長(zhǎng)晶粒向雜晶的轉(zhuǎn)變。

        

        圖2 激光重熔過(guò)程中原位勞厄衍射圖像

通過(guò)分析勞厄衍射斑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量提取衍射角位移和衍射峰展寬（FWHM）隨時(shí)間的變化。其中，圖3a表示，重熔過(guò)程中搖擺曲線(xiàn)峰位變化，四個(gè)晶面首先沿Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)250ms時(shí)，激光停止工作，熔池開(kāi)始凝固，枝晶開(kāi)始生長(zhǎng)。此時(shí)，枝晶外延生長(zhǎng)方向與初始基底之間的取向偏差急劇上升至~2.5°，然后非常緩慢地衰減至1.5°-1.9°。圖3b，d表示χ與2θ方向上衍射斑點(diǎn)的FWHM隨時(shí)間的變化。可以發(fā)現(xiàn)，在激光加熱第一、二階段，半高寬同時(shí)增加，在250ms后，即凝固階段，開(kāi)始降低，最終外延枝晶的半高寬大于初始基底。

        

        圖3 激光重熔過(guò)程中衍射峰的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

晶體旋轉(zhuǎn)和雜晶形成機(jī)理

l 晶體旋轉(zhuǎn)機(jī)理

通過(guò)建立熱機(jī)械耦合有限元模型，成功復(fù)現(xiàn)了在激光加熱第一、二階段中晶面的旋轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)（圖4e）以及在凝固、冷卻過(guò)程中，晶面旋轉(zhuǎn)的演化（圖5b），該結(jié)果表明由于局部加熱不均勻引起的變形梯度場(chǎng)是主導(dǎo)晶體旋轉(zhuǎn)的機(jī)制。

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)熔池不同位置的[001]晶面存在取向偏差（圖5d），該偏差與溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)一致，因此表明外延枝晶與基體的取向差主要由于最大溫度梯度決定。

        

        圖4 激光加熱第一、二階段中晶格旋轉(zhuǎn)的熱機(jī)械耦合有限元仿真結(jié)果

        

        圖5 凝固過(guò)程中晶格旋轉(zhuǎn)的熱機(jī)械耦合有限元仿真結(jié)果

雜晶形成機(jī)理

根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，以及衍射半高寬分析，可以認(rèn)為增材制造過(guò)程中，雜晶形成機(jī)理如下：在凝固的初始狀態(tài)下，可能由于雜質(zhì)元素偏聚或激光掃描時(shí)局部加熱/冷卻異質(zhì)性，外延晶粒周?chē)忻芗奈诲e(cuò)分布。高密度位錯(cuò)作為優(yōu)先形核點(diǎn)，導(dǎo)致形核率迅速增加和局部過(guò)冷。因此，細(xì)小晶粒在形核點(diǎn)迅速累積。同時(shí)，由于各種缺陷和各向異性的溫度場(chǎng)，晶粒周?chē)嬖谥鴱?fù)雜的各向異性的應(yīng)力場(chǎng)。在位錯(cuò)和各向異性應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下，細(xì)小的亞晶粒從外延晶粒中捕獲位錯(cuò)，并在釋放應(yīng)力的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最后生長(zhǎng)成擁有不同形貌與取向的雜晶。

        

        圖6 凝固過(guò)程中缺陷演化的分子動(dòng)力學(xué)仿真

單晶增材制造

根據(jù)上述機(jī)理研究，作者提出以下在制備單晶中增材制造工藝的可能優(yōu)化：

1. 通過(guò)降低位錯(cuò)的引入以及保持較低水平的過(guò)冷度，從而抑制雜晶的生成。
2. 通過(guò)降低變形梯度以及保持適當(dāng)溫度梯度，例如使用平頂光束、層間反向掃描策略，從而抑制晶體旋轉(zhuǎn)。
            
來(lái)源：中子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室