增材制造 TiC/316L不銹鋼復合材料的晶界工程
激光粉末床熔接（LPBF）被認為是最主流的增材制造（AM）技術之一。通過該工藝制造316L不銹鋼（316LSS）材料，具有極高屈服強度和良好延展性。然而為了拓展316L不銹鋼的應用領域，則需提高其力學性能，提高耐高溫腐蝕性。實現這些目標通常需要材料中具有大量特殊晶界。
將分享的科研成果來自于南方科技大學機械與能源工程系高性能材料增材制造重點實驗室白家鳴教授團隊。他們提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米粒子和LPBF增材制造工藝來制備具有納米孿晶強化效應和特殊晶界比例高的復合材料。
通過增材制造制備具有高比例特殊晶界和納米晶的復合材料
前文提到，為了拓展316L不銹鋼的應用領域，則需提供其力學性能，提高耐高溫腐蝕性。實現這些目標通常需要材料中具有大量特殊晶界。實現該目標的最流行的方法是晶界工程（GBE）。
GBE是一種熱加工策略，旨在通過在微結構中添加特殊類型的晶界，如孿晶界，來提高多晶金屬的物理力學性能。通過控制這些微觀結構的分布和排列，可以賦予其獨特的力學行為或結合整體材料中相互排斥的性能。傳統的GBE在退火過程中通過變形來調節和控制晶界。
目前，在316LSS 上已經進行了一些系統的工作。此外，還對LPBF形成的316LSS 晶界工程在增材制造領域進行了嘗試和研究。最近的研究表明，在使用過的熱處理過程中，大量的粗孿晶會導致胞狀結構丟失，力學性能急劇下降，這可能會影響材料的性能。在磁控濺射制備的Al層中發現了大量的納米孿晶和9R相，并表現出較強的厚度依賴性。磁控濺射法還具有快速冷卻的特點。該薄膜材料具有大量的納米孿晶和 晶界工程中特殊晶界比例高，從而產生機械強化效應。
考慮到這一點，南方科技大學機械與能源工程系高性能材料增材制造重點實驗室白家鳴教授團隊提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米粒子和LPBF增材制造工藝來制備具有納米孿晶強化效應和特殊晶界比例高的復合材料。
研究團隊基于所提出的微觀機理，對激光功率、掃描速度等的影響進行了系統的研究。發現LPBF試樣的殘余應力降低，TiC/316LSS復合材料比傳統材料具有更高的密度和更低的孔隙率。此外，實現了極精細的組織，并實現了GBE不變形和退火。這些結果可為增材制造復合材料納米孿晶微觀結構演變的基本理論和晶界工程的制備提供參考。
相關研究論文
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117605
研究成果解析
研究團隊發表的論文展示了一種基于TiC/316L不銹鋼（TiC/316LSS）復合材料設計的新型加工方法，用于在LPBF 增材制造過程中控制復合材料具有特殊晶界和納米晶的微結構。在LPBF熱循環過程中產生的殘余應力的驅動下，朝向非晶態TiC界面的梯度元素偏析導致低層錯能（SFE），在具有低SFE的TiC界面處形成并轉變為納米晶。非共格孿晶界的遷移產生了高比例的特殊晶界。觀察到TiC/316LSS復合材料具有改進的特性，包括局部殘余應力降低和晶粒細化，這明顯優于傳統的熱機械處理316LSS。該復合材料具有高比例的特殊晶界和納米晶，通過LPBF 增材制造期間產生的超細位錯胞結構強化。微結構控制是通過可預測地調整工藝參數在增材制造（AM）中實現的。
LPBF試樣的孔隙率隨激光功率、掃描速度和圖案填充間距的變化而變化，這可能是提高復合材料硬度的主要因素。當激光功率為140 W時，如圖2a所示，在#9試樣中觀察到大量缺陷，掃描速度高，陰影間距大。隨著掃描速度和填充間距的增加，成形試樣的表面質量惡化，內部缺陷數量顯著增加。具體而言，隨著掃描速度的提高，缺陷數量增加，相對密度降低。當激光功率增加到170w和200w時，激光加工質量得到改善。
考慮到掃描速度和圖案填充間距的綜合影響，研究團隊的工作重點是研究三個具有典型形貌的樣品（#5、#14和#23）在不同激光功率的作用下。正如在圖2中觀察到的，圖4a-c顯示了不同LPBF激光功率下金相圖像中的微觀結構演變。嚴重缺陷出現在試樣#3、#9和#27 TiC/316LSS中。維氏硬度（200N）的統計圖對應于組織結構，并且獲得了類似的變化。這一結果與以前的研究結果一致。
圖1（a） 球磨TiC/316LSS粉末的SEM形貌和EDS圖譜分析；（b） LPBF TiC/316LSS復合材料加工示意圖。在67°旋轉掃描策略下，通過高通量實驗制作標記為#1-#27的試樣，包括激光功率、掃描速度和圖案填充間距。
圖2 LPBF激光功率為（a）140W、（b）170W和（c）200W時金相圖像中的缺陷分布。（d）維氏硬度（1 KN）、相對密度和孔隙率的統計圖。
圖3（a） #0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的X-CT結果；（b） #0，#23試樣的典型缺陷形態；（c） 尖銳缺陷和（d）等軸缺陷；（e） 孔隙度的統計；（f） 缺陷數量隨體積分布的直方圖。
圖4 LPBF激光功率為（a）140W（b）170W和（c）200W時金相圖像中的微觀結構演變（d） 維氏硬度（200N）的統計圖。
圖5 激光功率對橫截面微觀結構的影響。（a） 試樣#0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的IPF圖；（b） 相應的PFs；EBSD分析的統計直方圖用于（c）晶粒面積和（d）取向錯誤分布。
圖6顯示了通過EBSD對試樣#0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS復合材料縱截面的晶體織構分析。熔池邊界清晰可見，圖6a中的虛線突出顯示。同樣，TiC添加后可以觀察到顯著的晶粒細化。圖6b顯示了表征材料內部微觀彈性應變的核平均取向差（KAM）圖。LPBF形成的#0-316LSS中有大量應變積累，低角度錯取向集中分布明顯。TiC納米粒子的加入顯著降低了復合材料的殘余應力。隨著激光功率的增加，平均局部取向誤差略有增加。同時，對于復合材料而言，KAM的分布變得均勻，并且在TiC團聚周圍幾乎沒有錯向分布。隨著激光功率的增加，∑3 CSL晶界逐漸減小（圖6c）。如圖6d所示，復合材料的取向差主要分布在∑3晶界對應的60°處，幾乎不存在小角度的取向差。在圖6e中，統計直方圖顯示局部錯向隨著激光功率的增加逐漸密集分布，它對應于逐漸均勻的KAM圖。
圖6 激光功率對縱截面微觀結構的影響。（a） 試樣#0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的IPF圖；（b） 相應的KAM圖和（c）∑3、∑9 CSL晶界分布圖；EBSD分析的統計直方圖用于（d）方向錯誤和（e）局部方向錯誤分布。
圖7 在（a）140W（b）170W和（c）200W不同激光功率下，燒結行為對燒結TiC納米顆粒形貌演變的影響（d）分別對應于#5、#14、#23 TiC/316LSS復合材料的TiC團聚的EDS線掃描分析和（e-g）EDS映射分析。
圖8 TiC納米粒子誘導的形貌演變。在（a）#0-316LSS和（b）#23 TiC/316LSS的熱影響區，用FIB切割制備的薄箔進行TEM亮場圖像和中心暗場圖像的觀察；（c） 通過SAED圖形進行晶體學平面分析；（d） 具有IPF和KAM的#23 TiC/316LSS的相應TKD分析。
圖9（a） #23 TiC/316LSS復合材料中的燒結TiC納米顆粒SEM-EDS繪圖結果；（b） 鐵和鈦的STEM-EDS圖顯示了TiC團聚顆粒附近的FIB薄箔中TiC納米顆粒的分布；（ci ciii）基體和擴散TiC納米顆粒之間可能的取向關系。大多數顆粒可能沿晶界分布。
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