在316L不锈钢的混合增材制造过程中，层间经过超声波冲击喷丸处理后发生的微观结构转变

《Scripta Materialia》：Microstructural transition across interlayer ultrasonic impact peened interfaces in hybrid additive manufacturing of 316L stainless steel

激光粉末床融合316L不锈钢中超声冲击强化与微观结构演变的协同效应研究。通过施加异步超声冲击处理，分析了五层连续处理区域与后续熔池沉积的微观结构梯度变化，发现冷变形区域形成超细晶粒带（平均晶粒尺寸2.4μm），硬度提升50%，但受LPBF高冷却速率（10^6-10^7 K/s）限制，晶粒再结晶程度低于定向能量沉积工艺。研究揭示了熔池边界再结晶机制与晶粒生长动力学的竞争关系，建立了热机械交互作用下的多尺度组织演变模型。

　　
混合增材制造中超声冲击处理对316 L不锈钢微观结构影响的机制研究

摘要与背景
金属增材制造（AM）技术如激光粉末床融合（LPBF）虽然能制造复杂几何结构，但快速冷却导致的柱状晶生长和各向异性性能限制了其工业应用。为解决这一问题，研究者提出将增材制造与层间冷加工结合的创新工艺。本文聚焦于激光粉末床融合制造中，通过层间超声冲击强化处理（UIP）调控微观结构演变，特别是考察快速冷却条件下再结晶行为的受限现象及其对材料性能的影响。

实验设计与方法
研究采用法国鲁昂大学先进制造实验室开发的混合制造系统，以316 L不锈钢粉末（平均粒径29±10微米）为原料，通过激光粉末床融合工艺制造20×20×6毫米的立方体试件。与传统单层制造不同，在每5层连续打印后实施超声冲击处理，冲击参数为20 kHz频率和100 W功率输出，采用四组3毫米直径的冲击针以2毫米间距进行交错处理。重点考察两个相互隔离的冲击处理区域（间隔40层非处理层），以观察冲击强化效应的渗透深度和衰减规律。

微观表征体系
建立多尺度表征方案：1）显微硬度测试（500g载荷，Vickers探头）绘制深度方向硬度分布；2）扫描电子显微镜（SEM）结合电子背散射衍射（EBSD）进行晶粒尺寸、取向演变和再结晶程度分析；3）纳米压痕测试（Berkovich探针，10mN载荷）量化局部硬度梯度。其中EBSD分析采用20kV加速电压和8nA电流，步长细化至0.05微米，确保能捕捉到亚微米级结构变化。

关键发现与机制分析
1. 硬度强化梯度与界面过渡
混合样品硬度呈现显著梯度特征：冲击处理区峰值达330 HV，较基体220 HV提升50%。硬度分布呈现三段式特征：处理层（Z-d区）＞过渡层（Z-c区）＞未处理层（Z-a区）。纳米硬度测试显示Z-d区局部硬度峰值达5.1 GPa，较基体3.4 GPa提升近50%。这种梯度变化源于冲击诱导的位错密度增加与后续再结晶的动态平衡。

2. 微观结构演变图谱
EBSD分析揭示五阶段结构演化：
- Z-a区（冲击层上侧）：保持典型LPBF柱状晶结构（晶粒尺寸17.8±2.1微米），取向沿?110?择优分布
- Z-b区（过渡层）：柱状晶细化至7.5±1.2微米，出现少量等轴晶核
- Z-c区（再结晶区）：晶粒尺寸锐减至4.5±0.8微米，取向多度化（平均取向差12.3°）
- Z-d区（超细晶区）：极致细晶（2.4±0.5微米），EBSD晶格取向呈现高无序度（取向置信指数0.1）
- Z-e区（次生强化层）：晶粒尺寸恢复至9.6±1.5微米，但内部保留冲击诱导的位错网络

3. 动态再结晶受限机制
与传统轧制/退火工艺不同，LPBF+UIP体系存在三重抑制再结晶的机制：
- 热抑制：LPBF冷却速率达10^7 K/s量级，远超传统热加工允许的10^3-10^4 K/s范围
- 应力释放限制：超声冲击产生的残余应力（约800 MPa）在高速冷却过程中无法充分释放
- 晶界迁移障碍：快速凝固形成的粗大柱状晶界（间距>5微米）成为再结晶形核的物理屏障

4. 界面过渡的梯度特征
在冲击处理区与非处理区的交界处（约200微米范围内）形成独特的微观结构梯度：
- 晶粒尺寸：从冲击区的2.4微米渐变为非处理区的17.8微米
- 取向分布：冲击区取向差＞30°，过渡区取向差降至15°以下
- 位错密度：冲击区达10^12 cm^-2量级，向非处理区衰减至10^9 cm^-2
这种梯度结构导致硬度呈现连续过渡而非突变，在冲击区与非处理区之间形成约50微米宽的过渡带。

5. 熔池动态重熔效应
通过熔池轮廓分析发现，每个激光扫描循环会部分重熔前三个层。这种动态重熔产生两个关键效应：
- 界面重构：熔池前沿与已冲击层形成新的热力学平衡界面
- 应力传递：冲击层与后续熔池接触面形成剪切带（宽度约80微米）
- 这种重构机制导致冲击强化效果在深度方向呈现指数衰减特征（衰减系数0.83）

工程应用启示
1. 层间处理参数优化
- 冲击频率：20 kHz较常规10 kHz可提升30%位错密度
- 冲击能量密度：建议控制在200 J/cm2以内以避免热影响区扩大
- 层间间隔：＞40层可保证冲击效应的独立性，但需权衡生产效率

2. 性能提升路径
- 晶粒细化：通过冲击获得亚微米级晶粒（2.4微米）可提升强度至1200 MPa量级
- 梯度强化：利用热梯度调控晶界分布，使硬度沿深度方向变化率降低40%
- 残余应力管理：建议在冲击层与非处理层间增加1-2层退火层以释放应力

3. 工艺窗口拓展
研究证实，在激光功率320W、扫描速度700mm/s条件下，通过调整冲击参数可使再结晶区扩展至总层数的15%-20%。这为开发新一代梯度强化合金提供了工艺基础。

结论与展望
该研究首次系统揭示了LPBF工艺中超声冲击层间处理的微观结构演变规律，发现高速冷却导致的再结晶抑制效应与冲击诱导的残余应力存在竞争关系。实验表明，在冲击层厚度≤5层时，材料强度可提升50%以上而不显著降低延展性（断裂应变＞15%）。未来研究应着重于：
1) 开发实时监控层间热-力耦合状态的在线检测技术
2) 探索多频超声冲击（20/50/100 kHz组合）对晶粒形貌的调控作用
3) 建立梯度强化合金的数值预测模型，实现工艺参数的优化设计

本研究为金属增材制造领域提供了新的技术路径，特别是在航空航天领域要求的梯度性能材料制备方面具有重要应用价值。通过精确控制层间处理参数与熔池动力学，可实现从纳米尺度到宏观尺度的性能定制化设计。