晶体对称性驱动的构建取向及其对激光粉末床熔融AISI 316L材料{110}<100>戈斯纹理形成和机械性能的影响

《Advanced Engineering Materials》：Crystal-Symmetry-Driven Build Orientation and its Impact on the {110}<100> Goss Texture Formation and Mechanical Properties of Laser Powder Bed Fused AISI 316L

激光粉末床融合（PBF-LB/M）通过调整打印方向优化AISI 316L的{110}<100> Goss晶体织构，对比分析H110（水平）、T110（倾斜60°）和V110（垂直）三种取向的熔池形态、微观结构和力学性能。研究发现T110取向熔池尺寸最小，晶粒取向集中，强度最高（650 MPa）且延展性最佳（45%），其织构强度指数（J=4.1）显著高于H110（J=2.9）和V110（J=2.5），而微应变和位错密度对强度差异影响较小。

　　本文探讨了在激光粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺中，通过改变构建方向，优化不锈钢AISI 316L的机械性能。研究采用了双向扫描技术，重点分析了三种不同的构建方向：i）H₁₁₀，即拉伸方向与扫描方向垂直；ii）T₁₁₀，即拉伸方向与构建方向呈60°夹角，与扫描方向呈35.26°夹角；iii）V₁₁₀，即拉伸方向与构建方向平行。研究团队利用中子衍射、显微镜技术和拉伸测试对这些样品的晶体结构、微观组织和机械性能进行了系统分析。

AISI 316L是一种常见的奥氏体不锈钢，因其高镍含量（稳定奥氏体）、高铬含量（增强抗腐蚀性）以及极低的碳含量（低于0.035%以避免铬富集碳化物的形成）而受到广泛关注。此外，少量的其他合金元素如钼（2–2.5%）、锰（<2%）和硅（<0.75%）也被添加，以进一步优化其性能。由于其良好的焊接性和高延展性，AISI 316L在增材制造领域受到了特别关注。

在PBF-LB/M过程中，材料的晶粒结构和纹理可以通过构建方向和扫描策略进行控制。高热梯度导致冷却速率可达10⁷ K/s，从而形成独特的微观结构和机械性能。由于各向异性热传导，方向性凝固通常会引发各向异性的晶体纹理、微观结构和机械性能。通过调整工艺参数、扫描策略和构建方向，可以实现对这些各向异性特征的定制化。

本研究的重点是利用晶体对称性原理，通过选择特定的构建方向，实现{110}<100> Goss纹理的形成。H₁₁₀构建方向下，拉伸方向垂直于扫描方向，形成了具有主要{110}和次要{111}晶粒的晶体纹理；T₁₁₀构建方向下，拉伸方向与构建方向呈60°夹角，与扫描方向呈35.26°夹角，从而获得了更强的晶体纹理和更细的凝固结构；V₁₁₀构建方向下，拉伸方向与构建方向平行，形成具有主要{110}和次要{100}晶粒的晶体结构。研究团队通过中子衍射、光学和电子显微镜以及拉伸测试，分析了这些不同构建方向下的样品特征，并对它们的工艺-结构-性能关系进行了深入探讨。

研究发现，T₁₁₀构建方向下的样品表现出最高的强度，同时保持了良好的延展性。这一结果可能与该构建方向下形成的晶界和微应变有关。然而，研究团队指出，晶界和微应变对强度差异的影响较小，而主要的强度提升来自于更精细的凝固结构和更集中的晶体纹理。此外，不同构建方向下的样品显示出不同的微观组织特征，包括不同的晶粒尺寸、形状和分布。这些差异可以通过调节构建方向，实现对PBF-LB/M样品性能的优化。

在实验方法方面，研究团队首先制备了AISI 316L粉末，并通过双向扫描技术制造了三种构建方向下的样品。粉末通过气体雾化法生产，并进行了化学成分分析。通过筛选和测量，确定了粉末的粒径分布，为后续实验提供了基础。然后，利用中子粉末衍射仪对样品进行了相组成和晶体纹理分析，通过调整样品旋转角度，平均了纹理效应，并测量了与拉伸方向垂直的反射强度。此外，利用电子背散射衍射（EBSD）技术对样品的微观组织进行了详细分析，生成了IPF、晶界（GB）和KAM图，并结合MATLAB工具箱MTEX对数据进行了处理和可视化。

为了评估样品的密度，研究团队使用了阿基米德原理，测量了不同构建方向下的样品密度，并与参考密度（7.98 g/cm³）进行了比较。结果显示，所有样品的相对密度均超过99.9%，表明PBF-LB/M工艺能够制造出高密度的结构。此外，通过光学显微镜和扫描电子显微镜对样品的微观组织进行了观察，发现不同构建方向下形成了不同的凝固结构，如晶胞和柱状晶粒，这些结构的特征与热梯度和固液界面迁移速度密切相关。

研究还探讨了微应变和位错密度对样品性能的影响。通过分析衍射图谱中的峰展宽，研究团队利用Stephens方法计算了微应变贡献，并结合Krivoglaz等人的方法估计了位错密度。结果显示，虽然微应变和位错密度在一定程度上影响了样品的性能，但其对强度差异的影响较小。这表明，强度的提升主要来自于晶体纹理的优化，而不是微应变或位错密度的变化。

在机械性能方面，研究团队对三种构建方向下的样品进行了拉伸测试。结果显示，T₁₁₀构建方向下的样品表现出最高的强度，同时保持了良好的延展性。H₁₁₀和V₁₁₀构建方向下的样品强度较低，但延展性相近。这些结果表明，通过改变构建方向，可以实现对AISI 316L样品机械性能的优化。

综上所述，本研究展示了如何通过改变构建方向，优化AISI 316L的机械性能。结果表明，T₁₁₀构建方向下的样品在强度和延展性之间取得了良好的平衡，为未来在增材制造领域优化晶体纹理和机械性能提供了新的思路。