摘要：晶界工程（Grain Boundary Engineering, GBE）是一种通过提高低能晶界（如Σ3孪晶界）比例来改善多晶材料力学性能和抗腐蚀性能的有效策略。传统GBE依赖于复杂的热机械处理流程，如多次冷加工与退火循环，但这些方法不适用于增材制造（AM）成

【研究背景】：

晶界工程（Grain Boundary Engineering, GBE）是一种通过提高低能晶界（如Σ3孪晶界）比例来改善多晶材料力学性能和抗腐蚀性能的有效策略。传统GBE依赖于复杂的热机械处理流程，如多次冷加工与退火循环，但这些方法不适用于增材制造（AM）成形的近净形零件，因为会损害其复杂几何结构。增材制造技术，尤其是激光粉末床熔融（LPBF），因其高设计自由度和低材料浪费，成为制备高性能金属构件的重要手段。然而，如何在AM过程中实现GBE仍面临挑战。近年来，粉末回收在AM中被广泛采用以降低成本，但其对微观组织演变和晶界特征的影响尚不清楚。本研究提出一种创新的原位GBE策略，通过使用回收粉末在LPBF过程中直接构建具有高密度Σ3晶界的细晶组织，从而实现无需后续热处理的晶界工程，为高性能AM零件的绿色制造提供新思路。

【论文概况】：

该研究系统探讨了使用回收粉末对LPBF成形316L不锈钢微观组织与力学性能的影响。与使用新粉制备的样品相比，回收粉末样品在成形态即表现出显著细化的晶粒、更高密度的Σ3孪晶界和几何必需位错（GND），展现出典型的晶界工程特征。这种类GBE组织源于回收粉末诱导的成分变化，触发了两种不同的孪晶形成机制：（1）液相中二十面体短程有序（ISRO）介导的异质形核；（2）铁素体-奥氏体（F/MA）凝固路径转变。回收粉末样品在成形态和退火态均表现出更优的力学性能（更高的屈服强度、抗拉强度和延伸率），并为后续外场GBE处理提供了理想的初始组织。该研究首次提出并验证了“原位晶界工程”概念，为AM零件的组织设计和性能优化提供了新途径。

【研究亮点】：

1. 提出了“原位晶界工程”概念，无需热机械处理即可在AM过程中构建类GBE组织；

2. 发现回收粉末可诱导ISRO介导形核和F/MA凝固路径转变，显著促进Σ3孪晶界形成；

3. 回收粉末样品在成形态即具备优异的力学性能，兼具高强度与高塑性；

4. 提供了一种绿色、经济、可持续的高性能AM零件制造新策略。

【论文图片】：

图1：使用新粉与回收粉末制备的LPBF 316L不锈钢的光学显微图像

图2：新粉与回收粉末样品的EBSD反极图、晶界分布及取向差分布图

图3：新粉与回收粉末样品的GND密度分布图与细胞结构SEM图像

图4：新粉与回收粉末样品腐蚀后的SEM图像对比（“鱼鳞状”结构）

图5：新粉与回收粉末样品细胞结构的STEM-HAADF图像与EDS元素分布图

图6：热处理后新粉与回收粉末样品的EBSD图与晶界分布图

图7：新粉与回收粉末样品在不同状态下的再结晶分数分布图

图8：新粉与回收粉末样品在成形态与热处理态的拉伸应力-应变曲线及加工硬化曲线

图9：回收粉末样品中Σ3孪晶相关晶粒团簇的EBSD图与极图分析

图10：新粉与回收粉末样品的Scheil凝固模拟结果图

图11：回收粉末样品最上层的EBSD图、晶界图与KAM图

【结论】：

该研究提出了一种创新策略，通过使用回收粉末在LPBF 316L不锈钢中实现原位晶界工程，无需额外的热机械处理或退火。与传统新粉制备的柱状晶组织不同，回收粉末诱导出细晶组织，具有更高密度的Σ3孪晶界和GND。这种微结构的形成归因于回收粉末成分变化引发的凝固路径转变，包括（i）ISRO介导的异质形核和（ii）F/MA凝固模式，这两种机制共同促进了孪晶界的形成。回收粉末样品在成形态和退火态均表现出更优的力学性能，包括更高的屈服强度、抗拉强度和延伸率。此外，该组织也为后续外场晶界工程提供了理想的初始结构。本研究不仅展示了回收粉末在提升AM零件性能方面的潜力，也为实现绿色、可持续、高性能增材制造提供了新思路。

【论文链接】：

来源：江苏激光联盟