在固定工艺参数下，激光束粉末床熔融过程中出现了意外的异质纹理现象

《Materials & Design》：Unexpected heterogeneous texture in laser beam powder bed fusion under fixed process parameters

纹理控制与异质结构形成机制研究。

　　在现代制造业中，激光粉末床熔融（Laser Beam Powder Bed Fusion, PBF-LB）技术以其能够制造复杂几何形状和定制化材料性能的独特能力而受到高度重视。这项技术通过逐层熔化金属粉末，形成具有特定晶体取向的微观结构，从而实现对材料性能的精确控制。然而，目前的研究普遍认为PBF-LB制造的材料具有均匀的晶体取向分布，这种假设可能忽略了材料内部存在的晶体取向异质性，进而导致对打印件性能的误判。异质性晶体取向不仅可能影响材料的机械性能，还可能加剧材料的退化过程，例如在高温负载条件下，异质区域可能成为裂纹萌生的起点。因此，有必要深入研究PBF-LB过程中晶体取向异质性的形成机制，并探索有效的控制策略。

本研究以316L不锈钢为例，通过实验分析和有限元模拟，揭示了PBF-LB过程中晶体取向异质性的存在及其形成原因。研究发现，在扫描方向上，样品表面区域（约占整个样品面积的25%）形成了异质晶体取向，而样品核心区域则保持了较为均匀的取向分布。在横向方向上，边缘区域由于不均匀的热传导，导致了以<100>//BD为主导的晶体取向，而中心区域则保留了<101>//BD的取向。而在构建方向上，尽管35mm高的样品没有观察到显著的晶体取向变化，但在较高的构建区域出现了局部的<100>//BD异质晶粒。这些发现表明，PBF-LB过程中晶体取向异质性是普遍存在的，其形成机制与激光扫描策略、热积累效应以及熔池的几何特性密切相关。

首先，从扫描方向的角度来看，研究发现异质晶体取向主要出现在样品的表面区域。通过分析不同扫描策略下的熔池形态和晶体取向分布，研究团队发现，表面区域由于激光返回时间的差异，导致了熔池尺寸的变化，进而影响了晶体取向的形成。在扫描过程中，激光的返回时间在表面区域存在显著差异，这种差异导致了熔池尺寸的不均匀性，进而影响了晶体生长的方向和取向。通过实验和模拟分析，研究发现，当激光返回时间较短时，熔池尺寸较大，此时形成的晶体取向以<100>//BD为主导；而当激光返回时间较长时，熔池尺寸较小，形成的晶体取向则以<101>//BD为主导。这种现象表明，激光返回时间对熔池尺寸和晶体取向的形成具有重要影响。

其次，在横向方向上，研究团队发现边缘区域的晶体取向异质性较为显著。与中心区域相比，边缘区域由于热传导的不均匀性，导致了局部温度梯度的变化，进而影响了晶体生长的方向。在中心区域，由于对称的热传导条件，熔池两侧的温度梯度较大，有利于<101>//BD晶粒的形成。而在边缘区域，由于缺乏对称的热传导路径，熔池的温度梯度较弱，这使得<100>//BD晶粒在该区域占据主导地位。值得注意的是，研究还发现，左侧边缘的<100>//BD晶粒区域比右侧更宽，这可能是由于左侧熔池周围已形成较多的固态材料，导致温度梯度更倾向于<101>//BD晶粒的生长方向，从而抑制了<100>//BD晶粒的形成。然而，随着构建高度的增加，右侧边缘的温度梯度逐渐减小甚至消失，这使得<100>//BD晶粒在该区域的生长成为可能。因此，边缘区域的异质性晶体取向与热传导条件密切相关。

最后，在构建方向上，研究发现随着构建高度的增加，熔池的尺寸和晶体取向的异质性也随之变化。尽管35mm高的样品没有观察到显著的晶体取向变化，但在较高的构建区域出现了局部的<100>//BD晶粒。通过分析不同构建高度下的熔池尺寸和晶体取向分布，研究团队发现，随着构建高度的增加，熔池的尺寸和晶体取向的异质性逐渐增强。这种现象可能与热积累效应有关，即随着构建高度的增加，熔池与基底之间的距离增大，导致基底的热传导能力减弱，从而影响了熔池的冷却效果。此外，连续的能量输入使得先前沉积的区域温度升高，减少了后续熔池所需的热能，使得熔池更容易扩大并进入过熔状态。因此，构建高度的增加可能通过热积累效应影响熔池的尺寸和晶体取向的分布。

综上所述，本研究揭示了PBF-LB过程中晶体取向异质性的形成机制，并探讨了如何通过调整工艺参数来减少这种异质性。研究团队提出了一种动态调整工艺参数的策略，旨在减少由于激光返回时间引起的热差异，从而实现更均匀的晶体取向分布。此外，研究还指出，对于边缘区域的异质性晶体取向，可以通过加工余量的合理设计和后续的表面处理技术（如电化学抛光）进行去除，以提高打印件的表面质量。这些发现为未来PBF-LB技术在复杂结构制造中的应用提供了重要的理论支持和技术指导。