激光定向能量沉积与激光粉末床熔融制备的316L不锈钢中异质微观组织介导应变硬化的不同来源

《Materials Science and Engineering: A》：Distinct origins of heterogeneous microstructure-mediated strain hardening in 316L stainless steel fabricated by LDED and LPBF

　　

## 摘要

本研究探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）和激光定向能量沉积（LDED）工艺制造的316L不锈钢的应变硬化行为。两种工艺截然不同的热历史导致微观结构特征对比显著：LPBF 316L表现出强烈的晶粒非均匀性和纳米尺度的胞状结构，而LDED 316L则呈现相对较弱的晶粒非均匀性和微米尺度的胞状结构。尽管LDED 316L的胞尺寸更大且初始位错密度较低，但其表现出更优的应变硬化能力。微观结构表征与晶体塑性有限元（CPFE）模拟揭示，这种增强主要源于与微米尺度胞状结构和分散的低角度晶界（LAGBs）相关的异变形诱导（HDI）硬化。在微米尺度胞状结构内部引入Frank-Read源至关重要，它提高了临界分解剪切应力并加速了位错积累。相比之下，LPBF 316L的应变硬化主要受非均匀晶粒和晶粒尺寸依赖的LAGBs成核所产生的HDI硬化主导。此外，实验观察表明胞状结构在LPBF 316L和LDED 316L中对变形孪晶的影响不同，凸显了考虑不同胞状特征的重要性。这些发现阐明了增材制造（AM）316L不锈钢中本征非均匀微观结构如何调控应变硬化，并为增材制造金属材料的微观结构敏感建模提供了新的见解。

## 引言

316L不锈钢（SS）的增材制造（AM）因其能够生产具有复杂几何形状和优异力学性能的部件而引起了广泛关注，其性能通常优于传统制造的产品[1]、[2]、[3]。逐层沉积、快速凝固和本征热循环产生了独特的非平衡微观结构，使AM 316L SS的屈服强度相比传统316L提高20–50%，同时保持30%或更高的延伸率[4]、[5]、[6]。研究表明，AM 316L SS具有显著的非均匀微观结构，使其能够实现高强度和高延展性的结合[7]、[8]、[9]。

非均匀微观结构，包括谐波结构、非均匀晶粒、层状结构和梯度结构，已引起广泛关注[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。非均匀材料受益于额外的异变形诱导（HDI）硬化，打破了传统均匀材料中常见的权衡关系[15]、[16]。与通过传统加工路线形成非均匀材料不同，AM技术天然地产生具有非均匀性的材料，无需后处理。在各种AM技术中，激光粉末床熔融（LPBF）和激光定向能量沉积（LDED）是制造316L SS的两种广泛采用的方法。分层微观结构（胞状结构、非均匀晶粒和LAGBs）对LPBF 316L和LDED 316L的力学性能和变形机制产生关键影响，这一点已被广泛报道[5]、[17]、[18]、[19]。在LPBF 316L中，胞状结构以纳米尺度周期位错网络为特征，高位移错密度集中在胞壁上，胞内部密度较低。超细胞壁已被证明能有效阻碍位错滑移，从而增强屈服强度和应变硬化[4]、[5]、[7]、[17]。Liu等人[7]提出，胞状结构通过阻碍而非完全阻止位错运动来增强强度和延展性，并在塑性变形过程中保持稳定。Liu等人[20]进一步提出，不同类型的胞壁表现出不同的变形行为。具有取向差的胞壁倾向于在变形过程中保持结构完整性，而没有取向差的胞壁则容易在高应变下溶解。这一发现凸显了取向差对胞壁稳定性的重要性。值得注意的是，非均匀晶粒也被报道对材料性能有显著影响[9]、[18]、[21]。Li等人[18]表明，在LPBF 316L中，非均匀晶粒和胞状结构协同贡献于HDI硬化。Kong等人[9]观察到，与常规晶界相比，胞壁边界产生较低的HDI硬化率，因为它们对位错运动的阻碍较弱。尽管这些发现似乎表明胞状结构可能不主导HDI强化，但一项关于LPBF CuSn的对比研究报告称胞状结构对HDI硬化的贡献大于非均匀晶粒[22]。因此，需要全面评估胞状结构和非均匀晶粒的强化效应。

在LDED 316L中，相对较低的冷却速率促进了具有更宽且更纠缠的枝晶胞壁的微米尺度胞状结构的形成[23]。尽管与LPBF 316L表现出不同的胞状特征，LDED 316L中的胞状结构仍在强化中起着关键作用，并有助于实现优异的强度-延展性协同[24]、[25]、[26]、[27]。Wanni等人[26]将LDED 316L的优异性能归因于胞状结构产生的增强HDI硬化，纳米压痕测试揭示了胞壁界面影响区起着关键作用。Li等人[28]对比研究了LDED 316L和LPBF 316L，并证明胞状结构的不同特征导致不同的变形行为。非均匀微观结构特征的强化贡献随变形阶段而变化。对于纳米尺度胞状结构，多项研究表明它们主要在变形的早期阶段贡献于强化[7]、[29]、[30]、[31]。此外，位错成核和硬化被发现与胞尺寸相关[32]，这意味着不同的胞状特征会影响应变硬化行为。在这些研究中，初始非均匀特征，如晶粒分布和胞状结构，对AM 316L SS的力学性能有特别显著的影响。因此，尽管LPBF 316L和LDED 316L都具有本征非均匀性，但对这些非均匀微观结构在塑性变形过程中如何运作的机制理解仍然有限。

此外，胞状结构与堆垛层错发射和变形孪晶密切相关。变形孪晶是AM 316L SS中的一种重要塑性变形机制。已有研究表明，堆垛层错优先在位错胞壁上成核和扩展，从而促进变形孪晶，这在LPBF 316L的研究中已有证据支持[4]、[7]、[18]、[33]。相比之下，对于LDED 316L，多项研究报告称在塑性变形过程中不存在明显的变形孪晶[19]、[28]、[34]。这种差异可能与胞状结构的不同特征有关，它们可能在各个阶段控制变形行为。因此，胞状结构在LDED 316L和LPBF 316L中变形孪晶中的作用需要进一步研究。

本工作的目的是通过结合准原位实验和数值模拟，比较LPBF和LDED工艺下316L SS的微观结构演化和变形行为。重点突出由非均匀晶粒和胞状结构表征的AM本征非均匀性对应变硬化的不同影响。此外，虽然最近提出的基于Taylor的胞状结构模型[35]、[36]能有效捕捉AM材料的响应，但它们忽略了晶体学取向和背应力等物理因素。值得注意的是，纳米尺度胞内的位错源通常不被考虑，因为由于胞尺寸小，其激活需要高应力[32]。然而，对于LDED中的微米尺度胞状结构，该模型的适用性可能需要调整。因此，我们开发了一个与LDED工艺中微米尺度胞状结构相关联的改进晶体塑性有限元（CPFE）模型。该模型能够捕捉微米尺度胞状结构的变形机制，并揭示LDED和LPBF工艺之间宏观力学响应的差异。

### 片段：制造工艺细节

LPBF 316L样品由FS271 M机器（Farsoon, Inc, 中国）制造，激光光斑尺寸为80 μm。使用粒径在15–53 μm范围内的气雾化316L SS粉末。LPBF工艺在纯氩气氛中进行，以最小化氧化。基于凝固结构的考虑[37]，构建过程中的激光功率选定为225 W，扫描速度为1000 mm/s。LPBF样品沉积在304不锈钢基板上。

### 晶体塑性运动学

基于经典的晶体塑性有限元（CPFE）框架，弹性-塑性变形的运动学如下所述。总变形梯度，用粗体张量F表示，被乘性分解为弹性分量Fe和塑性分量Fp[39]：

$$\mathbf{F} = \mathbf{F}^e \cdot \mathbf{F}^p$$

其中，下标e表示晶格的弹性拉伸和刚体旋转，下标p表示材料相对于某一基准的塑性变形。

### 微观结构与力学性能

as-built LPBF 316L和LDED 316L的初始晶粒形貌如图5a和5b所示。值得注意的是，LPBF 316L表现出显著的晶粒尺寸非均匀性，其特征是粗大晶粒被细晶粒包围，如图5a所示。相比之下，虽然LDED 316L显示出大量碎裂的细晶粒，但与LPBF 316L相比，其晶粒分布相对均匀，如图5b所示。晶粒尺寸分析如图5c和5d所示。平均晶粒尺寸为14.3。

### 结论

在本工作中，使用两种增材制造技术（LPBF和LDED）制造了316L SS。由于不同的热梯度和冷却速率，两种AM 316L SS表现出不同的非均匀性，包括非均匀晶粒和胞状结构。这些本征非均匀微观结构对不同的应变硬化行为作出贡献。开发了与LDED工艺中微米尺度胞状结构相关联的改进晶体塑性有限元模型，以揭示变形机制。

### CRediT作者贡献声明

李学盼：撰写 – 原稿、可视化、软件、调查、形式分析、数据管理、概念构思。
江超：撰写 – 审阅与编辑、可视化、资源、项目管理、调查、资金获取、概念构思。
李伟鹏：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、方法论、调查。
赵宇轩：可视化、监督、调查。
姚中阳：监督、调查

### 数据可用性声明

数据可按请求提供。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

### 竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

### 致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（批准号：52235005）、科学探索奖和西湖科学基金会的资助。

### 作者信息

李学盼 | 李伟鹏 | 赵宇轩 | 姚中阳 | 江超

湖南大学机械与车辆工程学院，车身先进设计与制造国家重点实验室，长沙，中国 410082