德国马普所Nature子刊丨热力学指导的增材制造合金及工艺设计方法

金属增材制造(AM)，通常称为金属3D打印，具有制造复杂几何形状的独特优势，而这些几何形状难以通过传统制造技术获得。然而，作为一种快速凝固技术，与传统铸造相比，AM制造的零件经历了更高的溶质截留。在快速的液固相转变过程中，从枝晶分配到周围液体中的溶质没有足够的时间通过扩散达到平衡。如经典组成过冷理论所描述的，在液-固界面附近产生的溶质浓度梯度使枝晶和剩余液体的成分失去平衡。这种现象是控制最终材料的化学异质性、相组成和各种机械/功能特性的关键机制。

传统上，增材制造的许多合金和工艺开发只考虑大块材料的成分。这些研究通常涉及对成分和工艺参数的大规模实验筛选。最近，许多研究报告了凝固过程中局部成分变化对整体材料性能的重要性。然而，很少有研究以与上述分离和分配现象相关的热力学和动力学规则为指导。因此，非常需要开发针对增材制造工艺量身定制的材料开发指南，这种指南应考虑非平衡溶质分配特征。这种方法特别适合解决增材制造中的热裂问题。

热裂是冶金制造中长期存在的挑战，它发生在几乎所有的生产方法中，例如铸造、焊接和增材制造。这些裂纹通常发生在凝固至固相占比高于0.9时。它们还具有特征光滑的裂纹表面，表明在裂纹形成过程中存在液膜。针对这一现象提出了许多理论，例如临界凝固温度范围理论、Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG) 准则和热裂纹敏感性指数。虽然所有这些理论都证明了它们适用于特定范围的铸态合金，但迄今为止它们在增材制造领域取得的成功有限。造成这种预测差异的原因可归因于铸造和增材制造工艺之间的凝固速率差异、增材制造中使用的商业合金的复杂性以及在快速生产中需要考虑的其他材料特性（例如高温韧性）等。

在新加坡科技研究局（A*STAR)与德国科研团队合作的一项研究中，德国马普所的研究人员通过整合、计算和利用元素分配，提出了一种热力学引导的增材制造合金设计方法。该团队根据合金元素对枝晶间区域相稳定性的影响，将合金元素分为三种，并选择了两个易受热裂影响的高温合金IN738LC变量来说明这种方法的有效性。为了说明设计过程，研究人员首先在纳米尺度上量化材料的元素分配。基于这些信息，通过计算它们的固相线温度差来获得跨越枝晶-枝晶间区域的凝固间隔。通过模拟所有相的热力学驱动力来评估每个单独元素的分配对相选择和选择性偏析的影响。这些结果用于指导在相同基础合金上进行进一步的增材制造试验，经过适当的成分和工艺调整，可以获得无缺陷的零件。相关研究结果以 “Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing” 发表在《Nature Communications》期刊上。

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在快速凝固过程中的热裂纹萌发

图1 增材制造制备的0.11Si和0.03Si样品的热裂密度差异和相分析

为了揭示热裂形核的顺序，进行了原位同步加速器成像。在标准IN738LC基板（Si含量接近0.11 wt.%）上打开具有250W激光功率的固定激光源0.8ms。实验前的基板条件如图2a所示。在激光照射合金后，产生了一个由白色虚线标记的~150μm深的熔池，如图2b所示。还观察到由于表面张力导致的球形飞溅。在熔池内部，形成了一个连续的柱状蒸气腔（又名锁孔）。这种蒸汽腔的出现是由上方蒸发的气态金属相施加的向下蒸汽压力引起的。激光关闭后不久，相邻的液体回填了空白空间。然而，由于熔池的形态狭窄，气相向外扩散的时间窗口有限，一小部分气相被困在熔池内部，导致形成封闭孔隙，如图2c 所示。随着材料继续冷却，裂缝开始发展，起源于封闭的孔隙，如图2d所示。这一观察结果表明，封闭的孔隙可以作为热裂纹的形核位置。它也与图1a中的OM图像数据一致。尽管在0.11Si样品中几乎没有检测到孤立的孔隙，但发现许多裂纹与附近的圆形孔隙有关，之前对其他合金体系的研究也观察到了类似的现象。