據悉，南京理工大學機械工程學院韋輝亮教授聯合美國賓夕法尼亞(ya) 州立大學、勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室、俄亥俄州立大學和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員在《Progress in Materials Science》上發表論文，回顧了控製晶粒結構、相和缺陷方麵的最新進展。

3D打印金屬零件的性能和可用性取決(jue) 於(yu) 多種屬性，包括化學成分、相、形態、晶粒尺寸和形狀的空間分布、晶體(ti) 結構和各種缺陷。由於(yu) 需要優(you) 化多種工藝變量和參數，因此控製這些參量是一個(ge) 主要挑戰。工業(ye) 相關(guan) 的常見增材製造合金（如鋼、鎳、鈦、鋁和銅合金）以及功能梯度材料的所需性能千差萬(wan) 別，需要針對特定合金的策略進行控製。近期的綜述文章闡述了加工-微觀結構-性能關(guan) 係，但未關(guan) 注它們(men) 的控製策略。

6月15日，南京理工大學機械工程學院韋輝亮教授聯合美國賓夕法尼亞(ya) 州立大學、勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室、俄亥俄州立大學和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員在《Progress in Materials Science》期刊發表了最新綜述文章“Control of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic componentsControl of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic components”，回顧了控製晶粒結構、相和缺陷方麵的最新進展。

該綜述強調了機械模型和數據驅動技術（機器學習(xi) 、尺寸分析和統計方法等）等新興(xing) 數字工具在控製零件性能方麵的應用。最後，確定了在金屬打印領域進行高影響力研究的方向，並根據現有證據提出了未來展望。

研究亮點

（1）晶粒結構、相和缺陷的控製需要特定於(yu) 合金的策略。

（2）評述了鋼、鎳、鈦、鋁、銅合金和梯度材料。

（3）討論了機械模型和數據驅動技術的使用。

（4）對雜亂(luan) 的文獻進行梳理，以提供新的見解。

（5）確定了未來研究的機會(hui) 並提出了展望。

論文圖片

圖1. 傳(chuan) 統和增材製造後生產(chan) 的不同鋼材的典型微觀結構。根據加工條件，增材製造後可能會(hui) 觀察到不同的微觀結構。ppt.：析出物，ret.：殘留，α：鐵素體(ti) ，bcc，α'：馬氏體(ti) bcc/bct，γ：奧氏體(ti) ，fcc。

圖2. Ti-6Al-4V的PBF-L在800mm/s、功率值120W、160W、360W時的(a)缺乏熔合空隙、(b)氣孔和(c)匙孔的形態。所有圖像的方向都是垂直的。

圖3. 使用閉環控製對微觀結構進行原位控製的示例。在這裏，電荷耦合器件(CCD)相機和紅外(IR)相機用於(yu) 監控AM過程。傳(chuan) 感信號被發送到實時控製係統，該係統向機器提供控製信號以調整工藝參數以進行原位微觀結構控製。

未來方向

• 克服強度-延展性權衡的微觀結構特征

• 凝固形貌控製

• 織構

• 缺陷及其對性能的影響

• 創建可打印性數據庫

• 新興(xing) 數字工具的應用

未來展望

工藝參數對微觀結構、晶粒結構和織構的影響

迄今為(wei) 止，僅(jin) 對5000多種合金中的少數進行了研究，以了解增材製造對性能產(chan) 生有益影響的特殊特性。此外，正在開發專(zhuan) 門用於(yu) 增材製造工藝的新合金，以利用其獨特的特性（例如多次熱循環）來獲得卓越的性能。打印含矽鋼以獲得用於(yu) 電動機和變壓器的特定晶體(ti) 結構，或用於(yu) 需要低熱膨脹係數的應用的經濟實惠的含鎳和鈷鐵合金是新合金潛在有吸引力應用的例子具有獨特的微觀結構。利用豐(feng) 富的鑄造和焊接知識庫，對現有合金的微觀結構進行微小的改變，可能會(hui) 解決(jue) 增材製造中一些長期存在的問題。例如，人們(men) 早就知道高強度鋁合金中的某些添加劑可以促進等軸晶粒的生長並防止凝固開裂。開發一個(ge) 全麵的知識庫來理解微觀結構特征以及它們(men) 如何與(yu) 多種特性相關(guan) ，這有助於(yu) 建立可打印性數據庫，在該數據庫中可以檢查合金工藝組合是否適合打印合適組件。除了揭示工藝-材料組合的結果外，它們(men) 還將繼續豐(feng) 富相變、元素偏析、亞(ya) 穩相形成、晶粒和亞(ya) 晶粒結構以及中尺度缺陷到小至晶體(ti) 缺陷的基本原理在AM期間產(chan) 生獨特的特性。

更好地理解屬性的獨特組合

零件的適用性取決(jue) 於(yu) 多個(ge) 屬性的組合。優(you) 化工藝組合以實現所需的性能組合無疑會(hui) 產(chan) 生前所未有的獨特性能組合。克服強度-延展性權衡就是一個(ge) 很好的例子。在大多數情況下，合金強度的增加伴隨著延展性的降低。然而，在某些不鏽鋼和其他合金中，這種常見的範例已被克服，並且已經實現了其中一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 性能的同時改進。當我們(men) 研究底層機製時，新知識無疑會(hui) 帶來更好的零件性能和適用性。

新合金

鐵基、鋁基、鎳基和鈦基合金的晶體(ti) 結構由它們(men) 所含溶質修飾的溶劑原子的晶胞決(jue) 定。添加溶質的性質和數量是控製合金凝固行為(wei) 、晶粒形態、相組成和機械性能的基礎。然而，眾(zhong) 所周知，金屬材料的微觀結構對冷卻速率和應力等外部脈衝(chong) 非常敏感。增材製造中使用的現有鐵基、鋁基、鎳基和鈦基合金並不是專(zhuan) 門為(wei) 增材製造設計的。增材製造的大多數變體(ti) 都涉及多個(ge) 熱循環，這些循環會(hui) 影響金屬部件的微觀結構和性能。可以預測熱循環的過程模型正在出現。然而，預計將過程變量與(yu) 零件的微觀結構和性能相關(guan) 聯是一個(ge) 緩慢的過程，因為(wei) 過程變量數量多、範圍廣，以及微觀結構和性能的合金特定性質。高級建模可以幫助控製熱循環，這有助於(yu) 深入了解微觀結構的演變。此外，新合金和功能分級材料的開發將繼續進行，當暴露於(yu) AM條件時，可以產(chan) 生滿足零件性能需求的微觀結構和性能。

更少的缺陷

未熔合缺陷、開裂、殘餘(yu) 應力和變形、各種類型的孔隙率、表麵粗糙度、波紋度、球化、化學成分變化和位錯等晶體(ti) 缺陷是增材製造零件的重要微觀結構特征。中尺度和更小的多個(ge) 缺陷，一直到原子尺度，都會(hui) 深刻影響零件的性能和適用性。熱處理和熱等靜壓等後處理將繼續用於(yu) 減輕孔隙率、未熔合和殘餘(yu) 應力等缺陷，但這些步驟會(hui) 損害零件的成本競爭(zheng) 力。所有尺度的缺陷也以複雜的方式影響機械性能。盡管最近在定量理解缺陷的起源和各種過程變量的層次影響方麵取得了重大進展，但目前還缺乏用於(yu) 理解過程變量與(yu) 缺陷和零件機械性能之間相關(guan) 性的定量框架。機械建模和機器學習(xi) 應用的持續進步有可能縮小工藝參數窗口以控製缺陷並提高零件的可維護性。

改進數字工具的集成

有許多示例可以說明如何使用可驗證的機械模型計算影響產(chan) 品質量的重要參數，例如溫度和速度場、冷卻速率、凝固形態和微觀結構的規模。這些參數很難通過實驗測量，因為(wei) 聚變區的尺寸很小，而且溫度場具有很強的空間可變性和瞬態性。當力學模型與(yu) 實驗數據相結合時，可以揭示理解微觀結構和性能演變的科學基礎。隨著使用機械模型的好處得到更廣泛的認可，聲音部件打印參數的選擇將以科學原則為(wei) 指導，從(cong) 而避免耗時且昂貴的試錯。

機器學習(xi) 起源於(yu) 數字技術，因此非常適合增材製造。從(cong) 產(chan) 品設計到流程規劃，再到生產(chan) 監控，再到將流程變量連接到產(chan) 品屬性，機器學習(xi) 將發揮比其當前用途更重要的作用。視覺係統的集成數據收集係統可以在每一層的打印過程中收集數據，機器學習(xi) 可以使用溫度場和材料狀態來減少生產(chan) 錯誤。微觀結構和性能的控製可能是受機器學習(xi) 影響的最重要的特征，因為(wei) 目前還沒有可靠的方法從(cong) 現象學的理解來預測金屬材料的複雜性能。由於(yu) 相、晶粒和亞(ya) 晶粒結構、偏析元素、亞(ya) 穩相、非常細的氧化物和其他沉澱物以及晶界附近的高濃度位錯的多樣性，增材製造金屬材料的微觀結構非常複雜。微觀結構的這些不同特征使得微觀結構和性能之間的相關(guan) 性變得複雜。當數據的質量和體(ti) 積要求得到滿足並且對預測誤差采取適當的預防措施時，機器學習(xi) 提供了一種潛在的替代方法，可以將微觀結構與(yu) 多種特性相關(guan) 聯，並根據科學原理提高零件的適用性。

作者介紹

韋輝亮，南京理工大學機械工程學院教授、博士後導師，入選江蘇省“雙創計劃”雙創人才，江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計劃。目前，任《Additive Manufacturing》期刊副主編，《Science and Technology of Welding and Joining》期刊編委，國家自然科學基金同行評議專(zhuan) 家、中國機械工程學會(hui) 高級會(hui) 員、南京理工大學科協委員。主持國家自然科學基金麵上及青年項目、軍(jun) 委科技委基礎加強計劃、江蘇省自然科學基金等項目，參研軍(jun) 委科技委基礎加強重點項目、教育部國家外國專(zhuan) 家局創新引智基地、軍(jun) 委科技委創新特區及江蘇省前沿引領技術基礎研究專(zhuan) 項等重大項目，發表論文50餘(yu) 篇，引用5000餘(yu) 次。

論文下載

Control of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic components.pdf

論文引用

Mukherjee T, Elmer J W, Wei H L, et al. Control of grain structure, phases, and defects in additive manufacturing of high-performance metallic components[J]. Progress in Materials Science, 2023: 101153.

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101153