​马普所《Nature》子刊：热力学指导增材制造合金及工艺设计！

来源：材料科学与工程

传统加工过程中金属要经过多个制造步骤，包括铸造、塑性变形和热处理，以达到所需的性能。在增材制造(AM)中，同一目标必须在一个制造过程中达到，包括固化和循环重熔。

固液两相之间的热力学和动力学差异，导致了组分过冷、凝固间隔的局部变化和二次相的意外析出。这些特征，可能会导致许多不希望出现的缺陷，其中之一就是所谓的热裂。这些现象对高冷却速率的热力学和动力学性质的响应提供了增材制造合金设计的途径。

在此，来自德国马普所的研究者使用商业上重要的IN738LC高温合金作为模型材料，通过解决热裂问题来说明了上述方法。相关论文以题为“Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31969-y

金属增材制造(Metal additive manufacturing, AM)，俗称金属3D打印，具有制造传统制造技术，难以获得的复杂几何形状的独特优势。然而，在快速的液固相变过程中，从枝晶分配到周围液体的溶质，没有足够的时间通过扩散达到平衡。由此产生的液固界面附近的溶质浓度梯度，使枝晶和剩余液体成分脱离平衡，正如经典的本构过冷理论所描述的那样。这种现象是控制最终材料的化学不均匀性、相组成和各种力学/功能性能的关键机制。

传统的许多增材制造合金和工艺开发只考虑块状材料组成。这些研究通常涉及大组分和加工参数集的实验筛选。最近，一些研究报道了凝固过程中局部成分变化对材料整体性能的重要性。然而，很少有研究是由与上述分离和分配现象相关的明确的热力学和动力学规则指导的。因此，有强烈的需要为增材制造过程制定一个基于理论的材料开发指南，该指南考虑了这些非平衡溶质分配特征。研究者在这篇文章中表明这种方法特别适合于解决热裂问题。

热裂(也称热撕裂)是冶金制造中一个长期存在的挑战，它发生在几乎所有的生产方法，如铸造，焊接和增材制造。这些裂纹通常发生在凝固结束时固体分数(fs)大于0.9时19。它们还具有特征的光滑裂纹表面，表明在裂纹形成过程中存在液体膜。因此，大量的研究工作致力于这一主题，并在文献中提出了许多理论。一些重要的理论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，都证明了它们对特定范围的铸态合金的适用性，但到目前为止，它们在增材制造领域的成功有限。造成这种预测差异的原因，可以归结为铸造和增材制造工艺之间的凝固速度差异、增材制造工艺中使用的商用合金的复杂性，以及在快速凝固过程中需要考虑的额外材料性能(如高温韧性)。

由于这个问题，许多现有的商业相关材料(如Ni和Al合金)不适合用于增材制造。到目前为止，有关增材制造的几个热裂特征已经在文献中报道。通常认为热裂纹只发生在大角度晶界处，根据非平衡Scheil模型，小的凝固范围表明低的开裂敏感性。此外，还发现，无论是通过引入晶粒细化器，还是通过调整工艺参数，晶粒细化都可以缓解裂纹的产生。然而，这些措施可能会导致其他性能的退化，如电气性能和高温性能。在某些情况下，由偏析引起的次生相也可以通过改变局部残余应力状态来降低裂纹密度。

在此，研究者提出了一种热力学导向的增材制造合金设计方法，通过积分、计算和利用元素分配。根据合金元素对枝晶间区相稳定性的影响，将其分为三类。在这里，选择了两种热裂敏感高温合金IN738LC来说明这种方法的有效性。选择这种合金作为模型材料的动机，是由于其高度的化学和结构复杂性及其商业重要性。为了说明设计过程，研究者首先量化了材料在纳米尺度上的元素分配。根据这一化学信息，通过计算它们的固相温度差，得到了跨枝晶间区域的凝固间隔。通过模拟各相的热力学驱动力，评估了各元素分配对相选择和选择性分离的影响。这些结果，用于指导在相同的基础合金上进一步的AM制造试验，然而，经过适当的成分和工艺调整，并获得无缺陷的零件。

图1 制备的0.11Si和0.03Si样品的热裂密度差和相鉴别。

图2 成分与0.11Si样品相近的标准IN738LC板稳态激光加热实验裂纹形核的原位同步成像。

图3 含气孔的0.11Si和0.03Si样品的可控电子通道对比成像(cECCI)图像。

图5 0.11Si和0.03Si样品枝晶间碳化物组成的APT测量。

图6 各种条件下固相温度和驱动力的热力学计算。

图7 热力学导向合金原理图及工艺设计方法。

图8 通过工艺优化和成分调整，使0.11Si合金的热裂纹最小。

图9 采用110 W的低激光功率输入，对0.11Si合金进行了APT测量。