Micro-cracking, microstructure and mechanical properties of Hastelloy-X alloy printed by laser powder bed fusion: as-built, annealed and hot-isostatic pressed
本研究分析了文献数据，以确定优化的打印参数，并评估了激光粉末床融合打印的Hastelloy-X的固结、微观结构和机械性能。研究了后退火和热等静压工艺对合金显微组织和力学性能的影响。通过热力学相图的计算，预测了该合金的凝固裂纹敏感性和铸态组织，如析出和化学偏析。对于竣工、退火和HIP条件，量化了整个构建中的固化裂纹分布。评估揭示了裂纹密度朝向固体构建的底部、顶部和自由表面的变化。这种分布的裂纹被发现与热梯度和热导率，这是估计由分析热计算。虽然退火和HIP都可以由于恢复和再结晶而改变印刷的微观结构，但是微裂纹和孔隙仅通过HIP成功地去除。除了HIP中的去除、再结晶和沉淀（比退火中更强）之外，还导致最佳的机械性能，包括伸长率从13%大幅增加到20%，极限拉伸应力从965 MPa显著改善到1045 MPa，并且由于沉淀而具有适度高的屈服应力。
2020-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Emergence of rapid solidification microstructure in additive manufacturing of a Magnesium alloy
本研究结合先进表征与相场建模，揭示了镁稀土合金激光粉末床熔融过程中由快速凝固引发的振荡带状微观结构，为定制兼具几何适配与局部性能优化的生物可降解骨科植入物开辟新途径。
2024-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Harnessing metastability for grain size control in multiprincipal element alloys during additive manufacturing
本文以FeMnCoCr多主元合金为对象，提出利用Mn含量调控相稳定性实现增材制造中晶粒细化的新设计范式，并结合多种表征手段揭示了凝固机制。
2024-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion
CrMnFeCoNi高熵合金是高度可打印的，并且具有巨大的结构应用潜力。然而，在以往的研究中，没有显着的讨论循环塑性和疲劳损伤。本研究提供了重要的见解打印过程之间的联系，凝固组织，循环塑性和疲劳损伤演变的合金制造的激光粉末床融合。基于热力学的预测（通过扫描透射电子显微镜（STEM）能量色散X射线光谱（EDX）验证）表明，在所有考虑的打印参数中，Cr、Co和Fe分配到凝固单元的核心，而Mn和Ni分配到单元边界。位错滑移和形变孪晶都是导致塑性形变的主要原因。然而，前者被认为是循环塑性的单一主导机制。表面光洁度有助于显著延迟裂纹萌生，并导致未熔合孔隙成为裂纹萌生的主要来源。最重要的是，扫描策略显著影响晶粒排列和晶粒尺寸，导致对疲劳裂纹扩展的显著影响;特别是，在具有0°旋转的曲折扫描策略中观察到最高的裂纹扩展阻力，这归因于大多数柱状晶粒和沿着裂纹扩展路径的最小晶界间距。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The interplay of local chemistry and plasticity in controlling microstructure formation during laser powder bed fusion of metals
金属部件的增材制造（AM）通过在多个长度尺度上的高设计灵活性和精度以及惊人的机械性能组合，有望实现比传统制造工艺更大的优势。表征微观结构和机械性能之间的关系仍然是这项新技术的主要挑战之一。一个自然的前兆是识别加工路径对发展中的微观结构的影响。我们结合AISI 316L不锈钢的单轨道激光粉末床融合（LPBF）扫描，有限元分析和大规模三维离散位错动力学模拟的实验研究，以提供对导致增材制造金属中异质缺陷结构形成的潜在机制的独特理解。我们的研究结果表明，位错滑移在凝固细胞壁的中断是负责细胞位错结构的形成，突出的增材制造组件的塑性形变的溶质偏析的意义。这项工作提供了一个机制的角度对异质微观结构的形成，并打开了一个可靠的预测增材制造零件的机械性能的潜力。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci
Grain growth competition during melt pool solidification -- Comparing phase-field and cellular automaton models
已经提出了一个广泛的计算模型来预测凝固过程中的微观组织的发展，但他们很少被相互比较的定量和系统的基础上。在本文中，我们比较相场（PF）和元胞自动机（CA）模拟的多晶生长在一个二维的熔池条件下的增材制造（粉末床融合）。我们比较使用本地（逐点）测量，以及平均晶粒取向分布在几个模拟得到的晶粒结构。我们探讨了CA空间离散化水平和熔池纵横比对所选晶粒织构的影响。我们的模拟表明，详细的微观特征相关的瞬态生长条件和固液界面稳定性（例如，初始平面生长阶段之前，其细胞/树枝状不稳定，或早期消除不利的取向晶粒由于相邻的晶粒侧支）只能被捕获PF模拟。由此产生的PF和CA预测之间的分歧只能部分解决的CA网格的细化。然而，在整个熔池的几个模拟平均的整体晶粒分布似乎导致PF和CA之间的一个显着更好的协议，与熔池形状和CA网格的一些变化。虽然还需要进一步的研究，特别是要确定适当的选择CA空间离散化和其链接到特征微观结构的长度尺度，本研究提供了一个有用的一步，在这个方向上，通过比较这两种方法定量在过程相关的长度和时间尺度。
2022-10-30 cond-mat.mtrl-sci
On the influence of alloy composition on the additive manufacturability of Ni-based superalloys
研究了镍基高温合金在激光粉末床增材制造过程中对加工诱导裂纹形成的敏感性。十二种不同的合金-一些现有的（遗产）类型，但也有其他新设计的-被认为是。一个强大的相互依赖的合金成分和加工性能的证明。体视学程序的开发，使两个主要的缺陷类型-凝固裂纹和固态延性浸渍裂纹-被区分和量化。差示扫描量热法，蠕变应力松弛试验在1000 $^\circ$ C和拉伸延展性在800 $^\circ$ C的测量被用来解释合金成分的影响。固态开裂的模型，提出了一种基于无法放松的热应力所产生的约束差热收缩，其发展是由实验测量使用约束棒冷却试验的支持。修正的凝固开裂准则提出了基于凝固范围，但也包括从应力松弛效应的贡献。这项工作为这些材料的增材制造性的组成的作用提供了基本的见解。
2021-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Resolving thermal gradients and solidification velocities during laser melting of a refractory alloy
本研究利用高速红外成像技术，解析难熔合金C103激光熔化过程中的热梯度和凝固速度，揭示柱状晶向等轴晶转变机制，为增材制造微观结构控制提供指导。
2024-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Grain refinement of stainless steel in ultrasound-assisted additive manufacturing
通过基于熔融的增材制造（AM）或3D打印制造的金属和合金经历了复杂的熔化和凝固动力学，对有效控制晶粒结构提出了挑战。在这里，我们报告使用高强度超声波，控制316L不锈钢AM过程中的凝固过程。我们发现，使用超声波有利于柱状等轴转变，促进形成细等轴晶粒与随机晶体织构。此外，超声波的使用增加了晶粒的数量密度从305 mm-2至2748 mm-2，尽管在AM过程中的熔池中的冷却速率和温度梯度的相关降低。我们的晶粒尺寸和冷却速率之间的关系的评估表明，在AM过程中的微晶的形成是由超声增强。此外，超声波的使用通过降低大部分熔池中的温度梯度来增加凝固期间的成分过冷量，从而产生有利于晶粒成核、生长和存活的环境。这一新的认识为更好地利用超声波控制AM制造的金属产品中的晶粒结构提供了机会。
2020-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Understanding defect structures in metal additive manufacturing via molecular dynamics
采用分子动力学模拟研究了单晶金属柱的增材制造。在该模型中，熔池逐渐增加，并在等压条件下冷却到目标温度，以自下而上构建金属柱。共近邻分析（CNA）被用来观察在这个过程中的原子尺度的缺陷的演变。对于添加的熔融层，可以看到凝固沿着两个方向进行。与较冷晶格接触的熔融层具有快速凝固前沿，其与从顶层开始的较慢凝固前沿竞争。缺陷结构的形成强烈地依赖于两个竞争凝固前沿的速度。达到一个临界层厚度，获得无缺陷的单晶作为快速凝固前沿到达顶部的熔体池之前，从顶部的较慢的前端启动。较慢的冷却速率导致缺陷减少，然而，低于临界速率的益处减少。通过将粉末床的温度升高到临界温度，可以显著减少缺陷含量。该温度由两种竞争机制决定：在更高温度下较慢的冷却速率与随着接近熔点而增加的无定形相竞争。最后，研究了软夹杂（SiS2）和硬夹杂（SiC）对缺陷结构的影响。与纯金属相比，硬夹杂物导致保留的缺陷结构，而软夹杂物减少缺陷含量。
2021-01-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Application of Finite Element, Phase-field, and CALPHAD-based Methods to Additive Manufacturing of Ni-based Superalloys
在这项工作中使用的数值模拟研究方面的显微组织和显微偏析的镍基高温合金在激光粉末床熔融增材制造过程中的快速凝固。有限元分析的热建模模拟激光熔池，表面温度与Inconel 625上的原位热成像测量结果一致。提取模拟熔池的几何和热特征，并用于随后的中尺度模拟。在两个长度尺度上模拟了熔池中的凝固。采用Scheil-Gulliver凝固模型和DICTRA软件计算了Inconel 625多元合金枝晶间的显微偏析。相场模拟，使用Ni-Nb作为一个二元类似物的Inconel 625，产生的显微组织与主细胞/树枝状臂间距与实测间距在实验观察到的显微组织和较小程度的显微偏析比预测的DICTRA模拟协议。的组合物配置文件是用来比较热力学驱动力的成核对实验观察到的沉淀物通过电子和X射线衍射分析确定。我们的分析列出了可能由富枝晶间成分的FCC相形成的沉淀物，并将这些沉淀物与在两个温度下1小时热处理的实验观察到的相进行比较：1143 K（870°C）下的应力消除或1423 K（1150°C）下的均匀化。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Ag nano-additivation on microstructure formation in Nd-Fe-B magnets built by laser powder bed fusion
本研究通过在原料粉末中添加Ag纳米颗粒，利用PBF-LB/M技术制备Nd-Fe-B磁体，发现Ag纳米添加促进了非均匀形核并细化晶粒，改变了晶间相分布，从而显著增强了畴壁钉扎和矫顽力，为永磁体微结构调控提供了新途径。
2025-03-05 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation distribution, crystallographic texture evolution and plastic inhomogeneity of Inconel 718 fabricated by laser powder-bed fusion
塑性不均匀性，特别是局部应变，是导致工程合金失效的主要机制之一。研究了Inconel 718合金增材制造过程中微观组织的空间排列和分布及其对塑性不均匀性的影响。特别是，几何必要位错（GNDs）的密度和空间分布和晶体织构组件进行了检查与空间塑性形变。结合显微镜和EBSD进行原位拉伸试验，以了解建成后微观结构的演变及其对空间和时间变形行为的影响。没有层间旋转的双向扫描策略导致<001>由细立方状{100}织构晶粒分隔的粗高斯状{110}织构晶粒<001>的高度有序的交替排列。这种策略还导致具有规则图案的位错（特别是GND）的整体高密度：细晶粒包含非常高的GND密度，而粗晶粒包含较少的GND，但它们被定向为垂直于扫描方向。虽然这种策略导致了各向同性所需的占主导地位的立方体织构，但在塑性形变期间，立方体织构逐渐减弱，并且不期望的戈斯分量增加。与柱状晶粒形态和对齐的GND排列一起，这种织构演化在变形期间引起强烈的塑性不均匀性。用涉及67°层旋转的棋盘策略替换双向策略导致较低的GND密度和晶体织构和GND的更随机的分布，其中主导的立方体组分（和较低的戈斯织构）在整个塑性形变中保持稳定，从而降低塑性不均匀性。
2023-03-19 cond-mat.mtrl-sci
Finite Interface Dissipation Phase Field Modeling of Ni-Nb under Additive Manufacturing Conditions
在激光粉末床熔合（L-PBF）过程中，构建的零件经历多次快速加热-冷却循环，导致具有不均匀性能的复杂微观结构。在目前的工作中，一个计算框架，它弱耦合的有限元热模型的非平衡PF模型的发展，在L-PBF过程中的Ni-Nb合金的快速凝固组织进行了研究。利用该框架预测了不同工艺条件下获得的单道熔池显微组织中胞状偏析结构的形貌和尺寸的空间变化以及显微偏析。一个凝固图展示了作为温度梯度和生长速率的函数的微观结构特征的变化。一个平面的细胞过渡预测在大多数的锁眼模式熔池，而平面界面是占主导地位的传导模式熔池。预测的细胞偏析结构的形态和尺寸与实验测量结果吻合得很好。
2020-02-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Modelling of microstructures during in-situ alloying in additive manufacturing for efficient material qualification processes
在这项工作中，提出了一个数值模拟框架相场法的基础上，能够捕捉凝固过程中的异质金属微观结构的演变。所涉及的物理学可以证明特别有用时，不仅研究系统经历热梯度，如在均匀系统，而且在条件下，表现出鲜明的空间梯度，即当这些不均匀性，甚至在介观尺度上存在。为了说明该模型的能力，研究了激光粉末床熔合期间高熵合金的原位合金化作为示例性用例。由此产生的数字孪生模型预计将缩短新材料的开发时间，并大大减少实验资源需求，从而有助于有效的材料鉴定过程。
2021-10-20 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Laser-scanning of induction-melted Al alloys: are they representative of additively manufactured ones?
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
本研究通过感应熔融样品的多路径激光扫描，模拟快速固结以替代定制粉末生产，分析了Al-Ni-Zr-Er合金的微观结构与机械性能，发现其微观结构相似但性能略有下降。
2025-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
