摘要：激光粉末床熔融（L-PBF）是一种用于金属部件的增材制造（AM）技术，其特点是高温度梯度、快速冷却速率和反复热循环。这些极端条件产生的显微组织远非平衡态，通常比传统锻造材料具有更优异的机械和功能性能，这在很大程度上归因于密集的位错胞和化学偏析。因此，目前关注的

激光粉末床熔融（L-PBF）是一种用于金属部件的增材制造（AM）技术，其特点是高温度梯度、快速冷却速率和反复热循环。这些极端条件产生的显微组织远非平衡态，通常比传统锻造材料具有更优异的机械和功能性能，这在很大程度上归因于密集的位错胞和化学偏析。因此，目前关注的研究热点在更好地理解和控制凝固机制，而凝固机制对工艺参数非常敏感。奥氏体不锈钢因其优异的机械性能和耐腐蚀性而非常适合L-PBF。弯曲的熔池几何形状、相邻熔池之间的外延生长以及先前层的重熔通常导致柱状晶粒沿建造方向（BD）排列，具有或取向。这导致高度各向异性的显微组织。快速冷却速率促进胞状生长，在胞壁处具有高位错密度，由于微观偏析，胞壁还富含铬和钼。通过优化L-PBF工艺参数，可以控制凝固条件，从而控制显微组织。

最近的研究表明，雾化过程中使用的气体选择，即通常为氮气或氩气，对金属粉末的最终显微组织和性能有显著影响。对304L不锈钢的研究和文献报道均表明，氮气雾化粉末产生具有柱状晶粒的高织构显微组织，在变形时表现出TWIP和TRIP效应。相比之下，氩气雾化的304L粉末产生织构较弱、更等轴的晶粒，在变形过程中主要表现出TRIP效应。

来自瑞士保罗谢勒研究所的C. Sofras等人探讨了微小成分变化对激光粉末床熔融（L-PBF）制备的 304L 不锈钢显微组织的影响。尽管工艺参数相同，氮气雾化粉末形成具有织构的柱状晶粒，存在元素偏析，主要以 γ- 奥氏体凝固并伴有次生铁素体。相比之下，氩气雾化粉末形成成分均匀的等轴晶粒，遵循初生铁素体到次生 γ- 奥氏体的模式。L-PBF过程中的原位同步辐射X射线衍射表明，凝固模式对最终显微组织有至关重要的影响，强调了凝固控制在奥氏体不锈钢性能定制中的重要性。

图1 对比了氮气和氩气雾化粉末在相同工艺参数下制备样品的微观结构。包括 EBSD 图（含反极图 IPF 和极图）、晶界图和 EDS 元素映射结果，展示出二者在晶体织构、晶粒形态和合金元素分布上的差异。

图2 利用 Scheil-Gulliver 模型对氮气和氩气雾化粉末进行凝固模拟，预测凝固初始阶段 δ 铁素体先出现，随后形成奥氏体，且两种粉末奥氏体形成时间不同。

图3 通过原位 MiniSLM 装置的 SXRD 衍射热图，呈现氮气和氩气雾化粉末凝固过程中的相转变，显示二者凝固行为和相转变顺序不同。

图4 示意氮气和氩气雾化粉末在单个熔池内凝固时的液 - 固和固 - 固相变过程，解释不同凝固模式下微观结构形成的机制。

该项研究表明，通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术，使用氮气雾化粉末和氩气雾化粉末制备的304L不锈钢在显微组织和性能上的显著差异。这些差异源于化学成分变化所导致的不同凝固行为。氮气雾化粉末含有更高浓度的奥氏体稳定元素（尤其是氮），遵循AF凝固模式（初生奥氏体、次生铁素体），形成具有强织构的柱状晶粒，呈现胞状生长和化学偏析的特征。与之相反，氩气雾化粉末遵循 FA 凝固模式（初生铁素体、次生奥氏体），形成织构较弱、晶粒更细小的等轴晶，且化学成分分布更均匀。

通过原位同步辐射 X 射线衍射的直接观察，结合详细的显微组织表征，明确了两种粉末的凝固模式分类。这些综合观察结果全面揭示了凝固行为的规律，且均指向每种材料中相同的作用机制。研究凸显了L-PBF过程中凝固条件的关键影响，并强调了控制工艺参数和粉末特性对获得目标显微组织的重要性。

相关研究成果以“Solidification pathway induced microstructural differences in austenitic stainless steels produced by L-PBF”为题发表在Materials Research Letters上，论文第一作者为C. Sofras。

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来自：多尺度力学

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟