选区激光熔化成形合金亚晶粒胞状/带状结构形成机制研究

The unique sub-grain patterns and microsegregations have been found in some particular Selective Laser Melted alloys, the submicron-scale cellular, elongated cellular or even band structures are always coexisting, which could increase the mechanical properties by slowing down but not entirely block the dislocation motion. Current mechanism explanations include constitutional supercooling, the transition from columnar to equiaxed structure (CET), solute segregation and oscillatory instability. All these explanations seem logical, but none of them can be considered as a unified explanation for all observed cases..The formation of these sub-grain cellular/banded microstructures can be related to the interaction between liquid-solid interface and adjacent thermocapillarity Bénard cells, transient thermocapillarity morphologies can be freezed by rapid moving solidification front. Several single crystal pure metals and polycrystal binary alloys will be employed as research objects meanwhile the high speed cameras and microscopic lens will be used as in-situ observation method, the influence rules of nonlinear self-organization phenomenon (Bénard Instability) on solidification structure will be finally expounded.

多种合金的选区激光熔化成形微观组织中发现独特的亚微米尺度六角/五角/四角胞状、伸长胞状和带状结构，以及胞状亚晶界的元素偏析和位错缠结现象，所形成的跨尺度结构对位错运动具有阻碍作用，材料可具有优良的力学性能。现有的机制解释主要包括界面失稳枝晶生长、柱状晶向等轴晶转变（CET）、元素偏析和振荡失稳等。上述机制解释尚不完备，需要进一步研究阐明，进而提供新的材料微观组织和性能调控手段。.本项目研究提出亚晶粒胞状/带状结构的形成与界面前沿热毛细对流胞有关，多变、瞬态的热毛细对流和失稳自组织形态可以被微熔池快速凝固作用予以保存。项目研究将基于经典凝固原理，考虑表面张力主导的热毛细对流稳定性和自组织原理，并借助高速相机和显微镜头等观测手段，以单质单晶体纯金属和二元合金体系为对象，研究熔池热毛细对流胞形态演化、凝固模式、对流胞与凝固界面耦合等问题，探索界面热毛细对流结构和自组织花样对凝固组织的影响规律。

针对多种合金选区激光熔化成形微观组织中发现的独特胞状和带状凝固结构，本项目以经典的凝固理论为基础，以单质单晶体纯金属和二元合金体系为对象，阐述其形成机制。.项目研究表明，胞状/带状等亚结构不仅存在于各种体系的二元合金（Ni-Cr，Ni-Mo，Ni-Al和Al-Si），在纯单质金属体系（Ni-Ni）中也能发现，形成的流胞结构与熔池局部对流特性有关。激光增材制造凝固过程中发生的柱晶-等轴晶转变（CET）和有序-无序转变（OMT）也是形成胞状/带状等独特亚结构的重要原因。胞状结构可能为柱状枝晶在顶部观察面的形态呈现，也可能是CET产生的杂晶；带状结构可能是OMT导致外延方向改变而形成的侧向柱晶。CET和OMT两种凝固行为与熔池特性密切相关，减小熔池宽长比或增大尾部梯度-速度之比能减少杂晶产生，增大宽长比导致柱晶生长方向更容易发生改变。.晶体取向、溶质浓度和冷却速率等因素对二元合金晶粒的竞争生长有重要影响。枝晶生长过程中的各向异性决定其形貌特征，形成的不同胞状/带状结构之间会产生溶质富集和成分偏析。熔池内不同取向的晶粒在长大过程中会发生竞争生长淘汰，部分晶粒会沿着温度梯度的方向以柱状晶的形貌继续长大，另一部分则会被阻碍长大并被淘汰。增大熔池界面冷速会导致胞状结构的尺寸减小。项目的研究成果可为调控增材制造组织的各相分布、尺寸和组成，实现合金化增韧和亚结构强化提供指导。