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( 六 ) 冶金|锻造|显微镜

。 EBSD图还描绘了竞争性增长消除了一些初始晶胞，而牺牲了其他晶胞，这些晶胞优先朝向与XY平面成45度或更高的中间壁位置。这些图表明，凝固方向很大程度上取决于熔池的形状，其本身很大程度上受扫描速度的影响，同时也受光束参数和粉末质量率的影响。由于辅助气体的强制对流作用，靠近外表面的显微组织冷却速度也较快，而在中壁面处，凝固显微组织以主流的热传导方式发展。如前所述，温度梯度和凝固梯度决定了主要的显微组织。

图8(a)和(b)分别为YZ和XY平面中的EBSD彩色编码图，在两张图中都显示了更精细的EBSD细胞朝向壁面；(c)描绘了相应的错误取向图和EBSD细胞尺寸分布图，补充显示了许多100μm大小的树突和柱状细胞簇，它们具有相似的晶体取向。
从总体上看，图5至图8所示的细显微组织代表了快速凝固的显微组织。对于奥氏体不锈钢，冷却速度的提高可能使初生凝固从奥氏体转变为δ铁素体[2627
。铬和镍当量数(即Creq、Nieq)传统上把铁氧体和奥氏体稳定元素的累积效应定义为它们浓度的加权和。直到1980年代， Creq、Nieq都是焊接方面重大研究活动的对象，作为永久解决高铬钢和异种钢焊缝中铁素体预测的努力的一部分。在奥氏体不锈钢中，由于铁素体对这些间隙元素的固溶度增加，因此通过有意保留少量铁素体可以避免因硫和磷引起的凝固开裂。注意，铁素体还与耐蚀性降低和磁导率的损失有关；因此，其含量必须通过化学成分以及工艺参数进行仔细平衡。为了确定焊缝中的主要凝固相，并根据Creq和Nieq估算焊缝中铁素体的含量，通常采用经典的Schaeffler-DeLong图和1992年的WRC图[32
。这些都是由Takao等人[33
完成的，他确定了Creq和Nieq的最小比值为1.48 ，以避免在常规焊缝中出现凝固开裂。在更大的冷却速率下，与激光或电子束一样， Pacary等人[34
确定这个比值高达1.7 。
以上从焊接文献[2627
中得到的知识可以扩展到增材制造，特别是本文的研究结果。表II中的316L不锈钢粉末成分对应于Creq为22和Nieq为13 ，因此，根据1992年WRC图，只有2至3%的铁素体[32
。然而，光学显微镜(图5)、电子显微镜(图6)和EBSD分析并未显示铁素体的存在。此外，任何AM零件都没有发现内部开裂。根据Creq和Nieq值以及接近1.7的比率，没有开裂是合理的[34
。对铁素体含量偏离1992年WRC图表的解释是动力学。 1994年， Lippold已经证明316L不锈钢中的主要凝固方式为完全奥氏体，没有残余铁素体含量[35
。在快速凝固的显微组织中，有许多因素也影响着相平衡。与焊接一样，取决于工艺参数和惰性气体，高蒸气压元素(如锰)和环境吸收(如氮气)中的损耗可能会影响相平衡，从而导致开裂。此外，粉末的高表面积可能与增加的氧气吸收有关，这可能导致AM沉积物中的氧气更多。上述成分变化，从蒸汽损失到气体污染，很可能影响给定3D打印机和粉末之间的再现性。在分析本文前面的显微硬度压痕测量时，已经观察到一些与其他工作[17-19
的差异。
之前关于316L通风口的研究结果提出了有趣的冶金问题，超出了可能对AM在工业应用中的更大实施构成关键障碍的范围。主要要求包括工艺稳定性、可靠性和不同粉末的标准化。此外，正如本文所说明的， AM零件不同于它们的锻件。更好的在役性能评估需要预先规划的工程时间和资源。在下一节中，将使用早期来自相同CLAD 3D打印机的316L不锈钢的试验数据对其中一些挑战进行讨论和说明。即将讨论的重点主要是原料和热源。