導(dǎo)讀：本文展示了一種基于TiC/316L不銹鋼（TiC/316LSS）復(fù)合材料設(shè)計的新型加工方法，用于在激光粉末床熔合（LPBF）過程中控制復(fù)合材料具有特殊晶界和納米晶的微結(jié)構(gòu)。在LPBF熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的驅(qū)動下，朝向非晶態(tài)TiC界面的梯度元素偏析導(dǎo)致低層錯能（SFE），在具有低SFE的TiC界面處形成并轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶。非共格孿晶界的遷移產(chǎn)生了高比例的特殊晶界。觀察到TiC/316LSS復(fù)合材料具有改進(jìn)的特性，包括局部殘余應(yīng)力降低和晶粒細(xì)化，這明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的熱機(jī)械處理316LSS。該復(fù)合材料具有高比例的特殊晶界和納米晶，通過LPBF期間產(chǎn)生的超細(xì)位錯胞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。微結(jié)構(gòu)控制是通過可預(yù)測地調(diào)整工藝參數(shù)在增材制造（AM）中實(shí)現(xiàn)的。

激光粉末床熔接（LPBF）被認(rèn)為是最有前途的添加劑制造（AM）技術(shù)之一，，廣泛應(yīng)用于金屬零件加工。特別是，激光粉末層熔（LPBFed）316L不銹鋼（316LSS）具有極高的屈服強(qiáng)度和令人驚訝的良好延展性。然而，文獻(xiàn)中也有一些關(guān)于316LSS基復(fù)合材料的報道。為了拓展316LSS的應(yīng)用領(lǐng)域，需要提高其力學(xué)性能；此外，還需要提高耐高溫腐蝕性，這通常需要大量特殊晶界。因此，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(jié)構(gòu)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(xué)性能。通過控制這些微觀結(jié)構(gòu)的分布和排列，可以賦予其獨(dú)特的力學(xué)行為或結(jié)合整體材料中相互排斥的性能。傳統(tǒng)的GBE在退火過程中通過變形來調(diào)節(jié)和控制晶界。目前，在316LSS[23]上已經(jīng)進(jìn)行了一些系統(tǒng)的工作。此外，還對LPBF形成的316LSS GBE在AM領(lǐng)域進(jìn)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(dǎo)致胞狀結(jié)構(gòu)丟失，力學(xué)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(fā)現(xiàn)了大量的納米孿晶和9R相，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的厚度依賴性。磁控濺射法還具有快速冷卻的特點(diǎn)。該薄膜材料具有大量的納米孿晶和GBE中特殊晶界比例高，從而產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)化效應(yīng)。

考慮到這一點(diǎn)，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系高性能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白家鳴教授團(tuán)隊(duì)提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米粒子和LPBE來制備具有納米孿晶強(qiáng)化效應(yīng)和特殊晶界比例高的復(fù)合材料。基于所提出的微觀機(jī)理，對激光功率、掃描速度等的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)LPBF試樣的殘余應(yīng)力降低，TiC/316LSS復(fù)合材料比傳統(tǒng)材料具有更高的密度和更低的孔隙率。此外，實(shí)現(xiàn)了極精細(xì)的組織，并實(shí)現(xiàn)了GBE不變形和退火。這些結(jié)果可為增材制造復(fù)合材料納米孿晶微觀結(jié)構(gòu)演變的基本理論和晶界工程的制備提供參考。相關(guān)研究成果以題“Grain boundary engineering during the laser powder bed fusion of TiC/316L stainless steel composites: New mechanism for forming TiC-induced special grain boundaries”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421009836#fig0017

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(fù)合材料硬度的主要因素。當(dāng)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(zhì)量惡化，內(nèi)部缺陷數(shù)量顯著增加。具體而言，隨著掃描速度的提高，缺陷數(shù)量增加，相對密度降低。當(dāng)激光功率增加到170w和200w時，激光加工質(zhì)量得到改善。考慮到掃描速度和圖案填充間距的綜合影響，我們的工作重點(diǎn)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。正如我們之前在圖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(jié)構(gòu)演變。嚴(yán)重缺陷出現(xiàn)在試樣#3、#9和#27 TiC/316LSS中。維氏硬度（200N）的統(tǒng)計圖對應(yīng)于組織結(jié)構(gòu)，并且獲得了類似的變化。這一結(jié)果與以前的研究結(jié)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(fù)合材料加工示意圖。在67°旋轉(zhuǎn)掃描策略下，通過高通量實(shí)驗(yàn)制作標(biāo)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(tǒng)計圖。

圖3。（a） #0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的X-CT結(jié)果。（b） #0，#23試樣的典型缺陷形態(tài)。（c） 尖銳缺陷和（d）等軸缺陷。（e） 孔隙度的統(tǒng)計。（f） 缺陷數(shù)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(jié)構(gòu)演變。（d） 維氏硬度（200N）的統(tǒng)計圖。

圖5。激光功率對橫截面微觀結(jié)構(gòu)的影響。（a） 試樣#0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的IPF圖。（b） 相應(yīng)的PFs。EBSD分析的統(tǒng)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(fù)合材料縱截面的晶體織構(gòu)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(xì)化。圖6b顯示了表征材料內(nèi)部微觀彈性應(yīng)變的核平均取向差（KAM）圖。LPBF形成的#0-316LSS中有大量應(yīng)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(fù)合材料的殘余應(yīng)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(fù)合材料而言，KAM的分布變得均勻，并且在TiC團(tuán)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(fù)合材料的取向差主要分布在∑3晶界對應(yīng)的60°處，幾乎不存在小角度的取向差。在圖6e中，統(tǒng)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(yīng)于逐漸均勻的KAM圖。

圖6。激光功率對縱截面微觀結(jié)構(gòu)的影響。（a） 試樣#0-316LSS、#5、#14和#23 TiC/316LSS的IPF圖。（b） 相應(yīng)的KAM圖和（c）∑3、∑9 CSL晶界分布圖。EBSD分析的統(tǒng)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(jié)行為對燒結(jié)TiC納米顆粒形貌演變的影響。（d） 分別對應(yīng)于#5、#14、#23 TiC/316LSS復(fù)合材料的TiC團(tuán)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(dǎo)的形貌演變。在（a）#0-316LSS和（b）#23 TiC/316LSS的熱影響區(qū)，用FIB切割制備的薄箔進(jìn)行TEM亮場圖像和中心暗場圖像的觀察。（c） 通過SAED圖形進(jìn)行晶體學(xué)平面分析。（d） 具有IPF和KAM的#23 TiC/316LSS的相應(yīng)TKD分析。

圖9。（a） #23 TiC/316LSS復(fù)合材料中的燒結(jié)TiC納米顆粒SEM-EDS繪圖結(jié)果。（b） 鐵和鈦的STEM-EDS圖顯示了TiC團(tuán)聚顆粒附近的FIB薄箔中TiC納米顆粒的分布。（ci ciii）基體和擴(kuò)散TiC納米顆粒之間可能的取向關(guān)系。大多數(shù)顆粒可能沿晶界分布。 

圖10。TiC團(tuán)聚顆粒附近的晶界結(jié)構(gòu)。（a） TKD結(jié)果的IPF、KAM、GOS、CSL晶界分布圖，標(biāo)記1-5顯示在孿晶和基體中。（b） 模擬結(jié)果顯示了對應(yīng)于晶界位置i和ii的SAED模式。（c） 雙變異體在暗視野形態(tài)中的分布。SAED圖形分別對應(yīng)于納米晶的（d）∑3和（e）∑9晶界。

圖11。STEM圖像顯示了316LSS的（a）細(xì)長位錯細(xì)胞和（b）等軸位錯細(xì)胞結(jié)構(gòu)。（c） #5-TiC/316LSS復(fù)合材料的孿晶形態(tài)和相應(yīng)的STEM-EDS圖譜，（d）等軸位錯胞結(jié)構(gòu)。（e） #23TiC/316LSS復(fù)合材料的孿晶形態(tài)和相應(yīng)的STEM-EDS圖譜，（f）等軸位錯胞結(jié)構(gòu)。

圖12。TKD結(jié)果分別顯示了（a）#5-TiC/316LSS復(fù)合材料和（b）#23-TiC/316LSS復(fù)合材料的STEM、BSE、IPF和CSL晶界分布圖。STEM圖像顯示（c）細(xì)長的納米晶，（d）寬的納米晶，（e）復(fù)合材料中擴(kuò)散的9R形態(tài)。對應(yīng)于這些位置的SAED模式提供了具有取向關(guān)系的基體、孿晶和9R的晶體學(xué)信息。

圖13。（a） 9R晶體結(jié)構(gòu)與基體轉(zhuǎn)變 → 9R→ 成雙的（b） HRTEM圖像顯示ITB通過矩陣變換的Shockley部分滑動遷移 → 9R→ 成雙的

圖14。（a） 在LPBF熱循環(huán)過程中，TiC納米顆粒誘導(dǎo)孿晶生長與動態(tài)再結(jié)晶（DRX）相關(guān)。沿[101]軸區(qū)域，（b）HRTEM圖像顯示TiC納米顆粒和基體界面處的不連續(xù)扭曲9R。（c） HRTEM圖像分別顯示未轉(zhuǎn)化的部分完美和不完美的9R結(jié)構(gòu)形成ITB和CTB。

圖15。（a） 該示意圖顯示了TiC顆粒對316Lss等軸晶和柱狀晶之間的枝晶比的影響。研究了（b）#0-316LSS和（c）#15tic/316LSS的微觀結(jié)構(gòu)特征，包括枝晶形態(tài)、晶粒尺寸、HAGB、LAGB、CSL晶界和KAM。（d） 研究了激光功率和掃描速度對復(fù)合材料等軸枝晶、柱狀枝晶、聚集態(tài)TiC的影響。

圖16。TiC顆粒的聚集、枝晶形態(tài)、晶界隨艙口間距的增大而變化，重熔區(qū)和熱影響區(qū)也隨HAZ的減小而減小。通過SEM和EBSD表征，在（a）#10、（b）#13和（c）#16-TiC/316Lss中列舉了不同填充間距引起的TiC/316Lss的微觀結(jié)構(gòu)演變。