3d打印机|激光增材制造中显微组织发展和技术挑战：以316L工业零件为例( 五 ) 冶金|锻造|显微镜

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由一种凝固方式向另一种凝固方式(如柱状到“等轴”枝晶)的转变主要是由于成分过冷，这种过冷是在合金液相线温度以下存在的液体。在影响成分过冷的因素中，一般来说凝固前沿形状和凝固方式是分配系数。这个系数还决定了在偏离平衡条件下溶质的堆积或耗尽，例如快速激光扫描引起的快速凝固。基于二元Fe-Cr和Fe-Ni相图，可能预想到与铁的有限分配；因此，镍和铬的偏析是相当不典型的，正如Kai Zhang等人[16
用316L激光熔覆显示的那样。然而，其他元素确实表现出比镍和铬更多的铁分配。例如，硫和磷是钢中附加了凝固开裂和表面张力相关现象等不良后果的两种元素[24
。在向界面，特别是凝固前沿偏析时，硫和磷与铁结合，以稳定低熔点液体，提高热应力下的开裂敏感性[27
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由于快速凝固，所有检查的横截面上的显微组织始终保持良好。多年来枝晶间距和冷却速率之间的关系已经得到发展，揭示了一次枝晶间距(PAS)或二次枝晶间距(SAS)的对数与冷却速率(CR)之间的线性关系。对于310不锈钢，在没有316L不锈钢数据的情况下，使用316L这样的钢作为替代品， Katayama等人确定PAS和SAS与CR的关系如下：PAS=80(CR)-0.33和SAS=25(CR)-0.28[29
。在所调查的通风口中，观察到枝晶间距不同；例如，对于底座，一次枝晶间距(PAS)在4至5μm之间，而其余通风口的一次枝晶间距为6至8μm 。从图6的SEM图像中可以最好地评估枝晶间距。利用上述关系，这些测量转化为4和8μm枝晶间距的冷却速率在1000和4500K/s之间，沉积开始时的值略大。为了便于比较， Amano等人[30
观察到AM立方体的冷却速率在11000和3500K/s之间，而含有TiC颗粒的316L不锈钢外壳结构的冷却速率为1360和776K/s 。在比较冷却速率时，本研究与Amano对贝壳的研究结果一致，因为通风口和贝壳都有薄的壁，因此可以进行类似的热传递。

图6(a)至(d)显示了AM显微组织朝向中间壁位置的二次电子图像(SEI) 。它们显示如下：(1)不同大小的细胞簇， (2)随机分散的微孔，如图6(a)所示，以及(3)在图6(d)中清晰可见的亚微米“暗”斑点的存在。这些“黑暗”的斑点，虽然超出了本文的范围，但似乎是一个混合物，特别是氧化物和微孔。他们对AM沉积物的影响尚不清楚。它们被怀疑大多对冲击韧性有害。例如， Yasa等人[31
研究了SLM对Charpy冲击韧性的影响，并观察到316L不锈钢的韧性值与锻造不锈钢相比降低了三分之二。对于Ti-6Al-4V、Maranging300钢和316L不锈钢，作者无差别地解释了气孔、氧和氮的存在以及非平衡相的存在，尽管后者不适用于316L不锈钢。如图5和图6所示， 316L不锈钢的显微组织完全由奥氏体组成。
图6在不同位置沿316L零件的垂直截面拍摄的一组SEM二次电子显微照片。枝晶间距仅在堆积开始时(大约前20层)发生变化，然后才会保持不变。

图7(a)图像质量图；(b)XY平面中的EBSD彩色编码方向图；(c)图像质量图；(d)YZ平面中的EBSD彩色编码方向图。
图7(b)至(d)是一组沿XY和YZ平面的低倍EBSD彩色编码图，以显示凝固产生的纹理。与图5的光学显微照片和图6的电子显微照片相比， EBSD图既没有显示树枝状结构也没有显示柱状结构。如果相邻晶体具有相同的晶体学取向， EBSD技术可能会遗漏一些内部边界，从而导致比传统显微镜更粗糙的显微组织。在这里， EBSD被用于识别和测量具有共同晶体学取向的显微组织团簇，特别是确定优先固态生长方向。在图7(b)~(d)中，靠近壁面处的晶胞比靠近中壁处的晶胞更细，中壁处的单胞更倾向于向上取向。图8的补充晶粒取向图显示了50~200μm具有相同取向的平均晶胞以及具有小于50度的典型错误取向的晶胞边界。对于细小的胞状和树枝状结构，这表明优先生长和沿最大热提取和封闭填充平面的方向生长{111[25-28