在激光粉末床熔融过程中纯铁中等轴晶粒的形成

《Journal of Materials Research and Technology》：Formation of equiaxed grains in pure iron during laser powder bed fusion

研究激光粉末床熔融制备纯铁时微观结构演变机制，发现液态→δ-BCC→γ-FCC→α-BCC相变路径，单激光道形成Widmanst?tten结构，相邻激光道 reheating 触发再结晶与晶粒生长，最终形成等轴晶。能量密度影响晶粒尺寸和等轴化程度。

　　在金属增材制造领域，铁（Fe）作为一种重要的基础材料，其微观结构演化一直是研究的重点。特别是在使用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的纯铁中，其微观结构呈现出与传统立方金属不同的等轴晶结构，这在一定程度上颠覆了人们对增材制造过程中晶粒形态的传统认知。立方金属通常在快速冷却条件下形成柱状晶，但纯铁却能够在不依赖任何添加剂或后处理的情况下，直接形成等轴晶。这一现象引发了广泛的科学兴趣，因为它不仅有助于深入理解增材制造的基本原理，还可能为其他工程合金的微观结构调控提供新的思路。

本研究通过电子显微镜和电子背散射衍射（EBSD）等先进表征技术，对纯铁在LPBF过程中的微观结构演化进行了系统分析。研究发现，在LPBF制造的纯铁样品中，整体微观结构以等轴晶为主，并且这些晶粒的取向较为随机，显示出较弱的织构特征。相比之下，单个激光扫描轨迹中则呈现出由原始柱状晶中形成的板状晶团（lath-shaped colonies），形成了类似维曼斯塔登（Widmanst?tten）的结构。这种结构的存在表明，在增材制造过程中，铁在冷却过程中经历了复杂的相变过程。

进一步的分析表明，来自相邻激光扫描轨迹的再加热能够逐渐将这些板状晶结构转化为等轴晶。这一过程涉及再结晶和晶粒生长，使得原本柱状的晶粒被打破并重新排列。通过EBSD数据的重建和分析，研究者能够揭示出铁在冷却过程中形成的γ-面心立方（FCC）晶粒，这些晶粒在再加热过程中逐渐转变为α-体心立方（BCC）晶粒。这种相变路径（Liquid→δ-BCC→γ-FCC→α-BCC）与之前提出的（Liquid→δ-BCC→α-BCC）不同，因为γ-FCC晶粒的存在并未因快速冷却而被完全抑制。

研究还指出，EBSD分析结果表明，在单个激光扫描轨迹中，γ-FCC晶粒的形成是可能的。尽管这些晶粒在最终的α-BCC结构中并未直接观察到，但通过假设γ-FCC与α-BCC之间的取向关系（如 Kurdjumov–Sachs 和 Nishiyama–Wassermann 取向关系），可以重建出这些γ晶粒的存在。这种重建结果与实验观察到的微观结构变化相吻合，进一步支持了γ晶粒在冷却过程中形成的观点。

在微观结构演化过程中，冷却速率和热应力起到了重要作用。在单个激光扫描轨迹中，由于冷却速率较高，形成了大量的位错和亚晶界，这些结构在后续的再加热过程中可能被释放或重组。在冷却速率较低的区域，如熔池边界附近，晶粒更加细小，而晶粒生长则在热影响区或先前沉积的层中更为显著。随着激光扫描能量密度的增加，晶粒内部的位错密度降低，晶粒尺寸增大，最终导致等轴晶结构的完全形成。

此外，研究还发现，单个激光扫描轨迹中存在一些独特的微观结构特征。例如，晶粒之间的取向关系在某些角度上表现出明显的峰值，这可能是由于γ晶粒在冷却过程中形成的孪晶边界。这些孪晶边界在后续的再结晶和晶粒生长过程中可能被继承，从而影响最终的α晶粒形态。在热影响区，由于再加热的影响，晶粒内部的位错密度显著降低，晶粒尺寸增大，形成了更为均匀的等轴晶结构。

本研究通过对比不同能量密度条件下的微观结构变化，揭示了纯铁在增材制造过程中的相变路径和微观结构演化机制。研究结果表明，纯铁在冷却过程中形成了γ-FCC晶粒，这些晶粒在再加热过程中转变为α-BCC晶粒，并通过再结晶和晶粒生长逐步演化为等轴晶结构。这一发现不仅加深了人们对纯铁在增材制造过程中微观结构形成的理解，还为其他金属材料的微观结构调控提供了新的视角。

综上所述，纯铁在增材制造过程中表现出独特的微观结构演化现象。通过详细分析单个激光扫描轨迹与整体结构之间的差异，以及再加热对晶粒形态的影响，研究者能够更清晰地理解纯铁在LPBF过程中的相变机制和微观结构演变过程。这些发现不仅有助于优化纯铁的增材制造工艺，还可能为其他金属材料的微观结构调控提供重要的理论依据。