導(dǎo)讀：本文在定向能量沉積增材制造過程中，通過在空間上控制功能梯度不銹鋼中晶界鋸齒化程度。晶界鋸齒是多晶微結(jié)構(gòu)中的一個吸引人的特征，因?yàn)樗x予了超強(qiáng)的抵抗裂紋擴(kuò)展和熱腐蝕的能力。在微觀結(jié)構(gòu)尺度上的定量測量與熱力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，使我們能夠提出一種機(jī)制來解釋晶界鋸齒的起源。由Cr/Ni比控制的凝固過程中瞬態(tài)δ鐵素體的形成及其隨后在冷卻過程中的溶解導(dǎo)致了殘余鐵素體顆粒的形成，這些殘余鐵素體顆粒通過Smith - Zener釘扎現(xiàn)象阻礙了固態(tài)奧氏體晶粒的生長。這一發(fā)現(xiàn)為增材制造過程中的原位晶界工程開辟了新的視角。

功能分級是材料設(shè)計(jì)中一種令人興奮和新生的策略，它在實(shí)現(xiàn)對局部機(jī)械、熱或環(huán)境特性的精確控制方面具有重要的前景。增材制造( AM )，特別是熔粉快速成形定向能量沉積( DED )，已迅速成為制造功能梯度材料( FGMs )的有力工具。DED具有高度的通用性，為每種材料使用單獨(dú)的送粉器，可實(shí)現(xiàn)多材料沉積。使用DED的功能分級不僅已被證明可以實(shí)現(xiàn)精確的成分控制，而且它也已成為一種強(qiáng)有力的工具，通過復(fù)合電沉積多種材料以不同的比例設(shè)計(jì)新的合金。在預(yù)期的化學(xué)梯度之外，功能梯度有時會導(dǎo)致錯綜復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，在梯度區(qū)域具有劇烈的拓?fù)渥兓芗腉B網(wǎng)絡(luò)。多晶材料的GB網(wǎng)絡(luò)控制著其大部分的熱學(xué)、力學(xué)和環(huán)境性能。

數(shù)十年的研究工作旨在使用諸如晶界工程( GBE ) 等方法來裁剪這個網(wǎng)絡(luò)。一種特別尋求的拓?fù)涮卣鱃B鋸齒( GBS )：首先由Koul等人證明，GBS已被證明通過降低空化率和減緩裂紋擴(kuò)展在高溫合金中達(dá)到850℃來提高蠕變抗力。GBS還通過阻礙硫和氧的逾滲來緩解熱腐蝕。GBS普遍存在于許多材料中，包括鎳高溫合金，不銹鋼，鋁合金，鎂合金以及高熵合金。在變形鎳基高溫合金中，GBS的機(jī)制已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其中GBS通常通過特殊的退火處理通過固態(tài)加工觸發(fā)。GBS起源于從過固溶溫度冷卻過程中第二相粒子的不連續(xù)析出，典型的有γ ' ( Ni3Al ) 、γ '或δ ( Ni3Nb ) 析出物或M23C6、M7C3碳化物。導(dǎo)致GBS的主要機(jī)制與Smith - Zener釘扎類似：冷卻時，第二相粒子對遷移晶界施加抵消壓力，局部抑制其運(yùn)動。與顆粒接觸的部分邊界保持靜止，其余部分邊界輕微移動，導(dǎo)致波浪形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。GBS起源機(jī)制的基本知識已被用于新的合金設(shè)計(jì)范例以及具有優(yōu)異性能的變形多晶合金的創(chuàng)新加工途徑。

本文揭示了通過使用原位合金化生產(chǎn)的功能梯度不銹鋼中存在強(qiáng)烈的GBS變化作為Cr/Ni比的函數(shù)。與先前報(bào)道的GBS機(jī)制不同，鋸齒在凝固過程中動態(tài)形成，δ鐵素體顆粒作為奧氏體晶粒生長的釘扎點(diǎn)。同時，熱力學(xué)計(jì)算揭示了GBS程度與凝固模式轉(zhuǎn)變之間的直接關(guān)聯(lián)：低Cr/Ni比合金中的奧氏體向鐵素體( AF )轉(zhuǎn)變，而高Cr/Ni比合金中的鐵素體向奧氏體( FA )轉(zhuǎn)變。鋸齒指數(shù)的量化與鐵素體顆粒的釘扎壓力有關(guān)，并取決于凝固過程中形成的瞬時鐵素體的比例。

美國伊利諾伊州伊利諾伊大學(xué)作了相關(guān)研究，其研究成果以“Functionally graded stainless steels with tailored grain boundary serration”為題，發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004372

圖1顯示了所有打印材料的EBSD圖。構(gòu)建方向( BD )是垂直于表面的，映射以逆極圖( IPF )顏色顯示，表明晶體學(xué)方向與BD平行。高角度GBs，定義為取向差大于15 °的GBs，在黑色中突出顯示。雖然所有材料都表現(xiàn)出柱狀晶結(jié)構(gòu)(圖1a , c)，但GB形貌在316L中定性地呈現(xiàn)平面狀(圖1a )，而在304L材料中則呈現(xiàn)明顯的波浪狀。梯度材料由5個相鄰區(qū)域組成，304L / 316L比例分別為10 / 90、30 / 70、50 / 50、70 / 30和90 / 10，自下而上沉積。每個區(qū)域包含10個沉積層，如圖1b所示。圖1b顯示了用Carpenter試劑腐蝕的功能梯度材料的拋光截面。在單一的一組制造參數(shù)下打印的FGM中沒有觀察到缺陷。熔池從一層到另一層是連續(xù)的，在梯度區(qū)域之間沒有可見的打印不穩(wěn)定性。從每個梯度區(qū)域切取樣品以進(jìn)行更詳細(xì)的表征。圖1c表明，隨著304L / 316L比例的增加，GBS定性增加，而晶粒尺寸(見附錄。A為晶粒尺寸測量值)沒有明顯變化。從304L / 316L比例為50 / 50到70 / 30的區(qū)域可見GB形態(tài)的急劇轉(zhuǎn)變。由直接作用和間接作用測得的Cr、Mo、Ni和Mn含量如圖2a所示。正如預(yù)期的那樣，所有元素在梯度上呈線性變化，隨著Cr和Mn的增加而增加，隨著304L含量的增加而減少Ni和Mo。

圖1.所有打印材料的微觀結(jié)構(gòu)。a ) 304L和316L的EBSD圖，b )宏觀腐蝕的功能梯度樣品，c ) FGM中五個區(qū)域的EBSD圖。所有EBSD圖均采用IPF顏色進(jìn)行編碼，編碼方向?yàn)榻▓D方向，垂直于表面。

圖2.打印微結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)表征。顏色對應(yīng)于圖1中的不同區(qū)域。a )直接作用和間接作用圖中Cr，Ni，Mo和Mn的重量分?jǐn)?shù)，b )用Tang等的方法計(jì)算的鋸齒指數(shù)，c )X射線衍射圖，d ) δ鐵素體的Smith - Zener釘扎壓力。x軸上的分?jǐn)?shù)與304L / 316L的比值相對應(yīng)。

圖3.打印合金的亞晶尺度微觀組織分析。a ) 10 / 90材料的BSE圖像顯示取向和相襯，b ) 316L的STEM - HAADF圖像和c )相應(yīng)的TEM - EDS成分剖面顯示細(xì)胞壁( b中的箭頭)處富集Ni、Cr和Mo，d ) 90 / 10材料的BSE圖像顯示被δ鐵素體顆粒釘扎的晶界和與晶界空間相關(guān)的胞狀結(jié)構(gòu)，e ) 304L的STEM - HAADF圖像和f )相應(yīng)的TEM - EDS成分剖面顯示細(xì)胞壁( e中的箭頭)處富集Cr和貧化Ni。

圖4.從thermocalc程序中獲得的偽二元Fe Nieq Creq相圖，a )用藍(lán)色虛線突出顯示凝固模式的相圖，b )我們用EDS測量的打印合金的成分與相圖重疊。顏色對應(yīng)于圖1中的不同區(qū)域。

圖5.304L中兩個鋸齒狀晶界周圍的EBSD圖。a ) IPF著色圖與灰階的質(zhì)量指數(shù)( IQ )圖重疊，其中δ顆粒表現(xiàn)為暗特征；B )對應(yīng)的GND密度圖；C )第二個區(qū)域的IPF - IQ圖；D )白色GB對應(yīng)的GND密度圖。