​馬普所《Nature》子刊：熱力學指導增材制造合金及工藝設計！

來源：材料科學與工程

傳統(tǒng)加工過程中金屬要經過多個制造步驟，包括鑄造、塑性變形和熱處理，以達到所需的性能。在增材制造(AM)中，同一目標必須在一個制造過程中達到，包括固化和循環(huán)重熔。

固液兩相之間的熱力學和動力學差異，導致了組分過冷、凝固間隔的局部變化和二次相的意外析出。這些特征，可能會導致許多不希望出現的缺陷，其中之一就是所謂的熱裂。這些現象對高冷卻速率的熱力學和動力學性質的響應提供了增材制造合金設計的途徑。

在此，來自德國馬普所的研究者使用商業(yè)上重要的IN738LC高溫合金作為模型材料，通過解決熱裂問題來說明了上述方法。相關論文以題為“Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31969-y

金屬增材制造(Metal additive manufacturing, AM)，俗稱金屬3D打印，具有制造傳統(tǒng)制造技術，難以獲得的復雜幾何形狀的獨特優(yōu)勢。然而，在快速的液固相變過程中，從枝晶分配到周圍液體的溶質，沒有足夠的時間通過擴散達到平衡。由此產生的液固界面附近的溶質濃度梯度，使枝晶和剩余液體成分脫離平衡，正如經典的本構過冷理論所描述的那樣。這種現象是控制最終材料的化學不均勻性、相組成和各種力學/功能性能的關鍵機制。

傳統(tǒng)的許多增材制造合金和工藝開發(fā)只考慮塊狀材料組成。這些研究通常涉及大組分和加工參數集的實驗篩選。最近，一些研究報道了凝固過程中局部成分變化對材料整體性能的重要性。然而，很少有研究是由與上述分離和分配現象相關的明確的熱力學和動力學規(guī)則指導的。因此，有強烈的需要為增材制造過程制定一個基于理論的材料開發(fā)指南，該指南考慮了這些非平衡溶質分配特征。研究者在這篇文章中表明這種方法特別適合于解決熱裂問題。

熱裂(也稱熱撕裂)是冶金制造中一個長期存在的挑戰(zhàn)，它發(fā)生在幾乎所有的生產方法，如鑄造，焊接和增材制造。這些裂紋通常發(fā)生在凝固結束時固體分數(fs)大于0.9時19。它們還具有特征的光滑裂紋表面，表明在裂紋形成過程中存在液體膜。因此，大量的研究工作致力于這一主題，并在文獻中提出了許多理論。一些重要的理論如臨界凝固溫度范圍理論、Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG)準則和熱裂紋敏感性指數。雖然所有這些理論，都證明了它們對特定范圍的鑄態(tài)合金的適用性，但到目前為止，它們在增材制造領域的成功有限。造成這種預測差異的原因，可以歸結為鑄造和增材制造工藝之間的凝固速度差異、增材制造工藝中使用的商用合金的復雜性，以及在快速凝固過程中需要考慮的額外材料性能(如高溫韌性)。

由于這個問題，許多現有的商業(yè)相關材料(如Ni和Al合金)不適合用于增材制造。到目前為止，有關增材制造的幾個熱裂特征已經在文獻中報道。通常認為熱裂紋只發(fā)生在大角度晶界處，根據非平衡Scheil模型，小的凝固范圍表明低的開裂敏感性。此外，還發(fā)現，無論是通過引入晶粒細化器，還是通過調整工藝參數，晶粒細化都可以緩解裂紋的產生。然而，這些措施可能會導致其他性能的退化，如電氣性能和高溫性能。在某些情況下，由偏析引起的次生相也可以通過改變局部殘余應力狀態(tài)來降低裂紋密度。

在此，研究者提出了一種熱力學導向的增材制造合金設計方法，通過積分、計算和利用元素分配。根據合金元素對枝晶間區(qū)相穩(wěn)定性的影響，將其分為三類。在這里，選擇了兩種熱裂敏感高溫合金IN738LC來說明這種方法的有效性。選擇這種合金作為模型材料的動機，是由于其高度的化學和結構復雜性及其商業(yè)重要性。為了說明設計過程，研究者首先量化了材料在納米尺度上的元素分配。根據這一化學信息，通過計算它們的固相溫度差，得到了跨枝晶間區(qū)域的凝固間隔。通過模擬各相的熱力學驅動力，評估了各元素分配對相選擇和選擇性分離的影響。這些結果，用于指導在相同的基礎合金上進一步的AM制造試驗，然而，經過適當的成分和工藝調整，并獲得無缺陷的零件。

圖1 制備的0.11Si和0.03Si樣品的熱裂密度差和相鑒別。

圖2 成分與0.11Si樣品相近的標準IN738LC板穩(wěn)態(tài)激光加熱實驗裂紋形核的原位同步成像。

圖3 含氣孔的0.11Si和0.03Si樣品的可控電子通道對比成像(cECCI)圖像。

圖5 0.11Si和0.03Si樣品枝晶間碳化物組成的APT測量。

圖6 各種條件下固相溫度和驅動力的熱力學計算。

圖7 熱力學導向合金原理圖及工藝設計方法。

圖8 通過工藝優(yōu)化和成分調整，使0.11Si合金的熱裂紋最小。

圖9 采用110 W的低激光功率輸入，對0.11Si合金進行了APT測量。