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晶界工程（GBE）是一種熱加工策略，旨在通過在微結(jié)構(gòu)中添加特殊類型的晶界，如孿晶界，來提高多晶金屬的物理力學(xué)性能。通過控制這些微觀結(jié)構(gòu)的分布和排列，可以賦予其獨(dú)特的力學(xué)行為或結(jié)合整體材料中相互排斥的性能。傳統(tǒng)的GBE通過變形和退火來調(diào)節(jié)和控制晶界。然而，在使用的熱處理過程中，大量的粗孿晶會導(dǎo)致胞狀結(jié)構(gòu)丟失，力學(xué)性能急劇下降，這可能會影響材料的性能。在磁控濺射制備的Al層中發(fā)現(xiàn)了大量的納米孿晶和9R相，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的厚度依賴性。該薄膜材料具有大量的納米孿晶和晶界工程中特殊晶界比例高，從而產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)化效應(yīng)。因此，在不變形或者退火的條件下，如何提高特殊晶界比例，一直是金屬材料領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題。
近日，南方科技大學(xué)高性能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白家鳴教授團(tuán)隊(duì)，他們提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米顆粒和LPBF增材制造工藝來制備具有納米孿晶強(qiáng)化效應(yīng)和特殊晶界比例高的TiC/316L不銹鋼復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Grain boundary engineering during the laser powderbed fusion of TiC/316L stainless steel composites: New mechanism for forming TiC-induced special grain boundaries”發(fā)表在金屬材料頂刊Acta Materialia上。李婧博士為論文第一作者，屈紅橋博士為論文共同第一作者，白家鳴教授為唯一通訊作者。該工作獲得了深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新項(xiàng)目、南方科技大學(xué)測試中心的資助與支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117605
該研究展示了一種基于TiC/316L不銹鋼(TiC/316LSS)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的激光粉末床熔合(LPBF)過程中控制具有特殊晶界和納米孿晶的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的新加工方案。此外，還提出了一種微觀機(jī)理。LPBF熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致非晶態(tài)TiC界面的梯度元素偏析產(chǎn)生了較低的層錯能(SFE)， 9R在低SFE的TiC界面形成并向納米孿晶轉(zhuǎn)變。非共格孿晶界的遷移再生了高比例的特殊晶界。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化激光功率、掃描速度和縫隙間距，解釋了TiC納米顆粒團(tuán)聚、晶粒細(xì)化和組織中特殊晶界的演變過程。結(jié)果表明，經(jīng)熱機(jī)械處理后的TiC/316LSS復(fù)合材料具有明顯改善的性能，包括局部殘余應(yīng)力降低和晶粒細(xì)化，明顯優(yōu)于常規(guī)熱機(jī)械處理后的316LSS復(fù)合材料。復(fù)合材料具有較高比例的特殊晶界和納米孿晶，它們通過LPBF過程中產(chǎn)生的超細(xì)位錯胞結(jié)構(gòu)保持壁強(qiáng)化。在增材制造中，通過對工藝參數(shù)的可預(yù)見性調(diào)整來實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)控制。因此，通過優(yōu)化LPBF參數(shù)和偏析誘導(dǎo)設(shè)計(jì)，增材制造晶界工程(AM-GBE)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
LPBF工藝參數(shù)對AM-GBE處理中特殊晶界的比例有可預(yù)測的影響。本文總結(jié)了特殊晶界的演化機(jī)制。激光能量密度的增加降低了生長9R。掃描間距的減小導(dǎo)致脫孿生和9R轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆诲e，并降低了特殊晶界的比例。此外，LPBF工藝參數(shù)也會影響復(fù)合材料的激光加工質(zhì)量，是開發(fā)人員研究中必須考慮的問題。在本研究中，我們采用增材制造晶界工程(AM-GBE)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了TiC納米顆粒誘導(dǎo)的顯微偏析，該微結(jié)構(gòu)通過可預(yù)測的工藝參數(shù)來控制。由此獲得了納米孿晶和特殊的晶界結(jié)構(gòu)，揭示了AM-GBE的巨大潛力。
近日，南方科技大學(xué)高性能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白家鳴教授團(tuán)隊(duì)，他們提出了一種有效的策略，通過引入TiC納米顆粒和LPBF增材制造工藝來制備具有納米孿晶強(qiáng)化效應(yīng)和特殊晶界比例高的TiC/316L不銹鋼復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Grain boundary engineering during the laser powderbed fusion of TiC/316L stainless steel composites: New mechanism for forming TiC-induced special grain boundaries”發(fā)表在金屬材料頂刊Acta Materialia上。李婧博士為論文第一作者，屈紅橋博士為論文共同第一作者，白家鳴教授為唯一通訊作者。該工作獲得了深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新項(xiàng)目、南方科技大學(xué)測試中心的資助與支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117605
該研究展示了一種基于TiC/316L不銹鋼(TiC/316LSS)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的激光粉末床熔合(LPBF)過程中控制具有特殊晶界和納米孿晶的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的新加工方案。此外，還提出了一種微觀機(jī)理。LPBF熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致非晶態(tài)TiC界面的梯度元素偏析產(chǎn)生了較低的層錯能(SFE)， 9R在低SFE的TiC界面形成并向納米孿晶轉(zhuǎn)變。非共格孿晶界的遷移再生了高比例的特殊晶界。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化激光功率、掃描速度和縫隙間距，解釋了TiC納米顆粒團(tuán)聚、晶粒細(xì)化和組織中特殊晶界的演變過程。結(jié)果表明，經(jīng)熱機(jī)械處理后的TiC/316LSS復(fù)合材料具有明顯改善的性能，包括局部殘余應(yīng)力降低和晶粒細(xì)化，明顯優(yōu)于常規(guī)熱機(jī)械處理后的316LSS復(fù)合材料。復(fù)合材料具有較高比例的特殊晶界和納米孿晶，它們通過LPBF過程中產(chǎn)生的超細(xì)位錯胞結(jié)構(gòu)保持壁強(qiáng)化。在增材制造中，通過對工藝參數(shù)的可預(yù)見性調(diào)整來實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)控制。因此，通過優(yōu)化LPBF參數(shù)和偏析誘導(dǎo)設(shè)計(jì)，增材制造晶界工程(AM-GBE)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
摘要圖
圖1 成形過程示意圖以及工藝參數(shù)
圖2 TiC團(tuán)聚顆粒附近的晶界結(jié)構(gòu)。（a）TKD結(jié)果：IPF、KAM、GOS、CSL晶界分布圖，標(biāo)記1-4顯示在孿晶和基體中；（b）模擬結(jié)果顯示了對應(yīng)于晶界位置i和ii的SAED模式；（c）雙變異體在暗視野形態(tài)中的分布；SAED圖形分別對應(yīng)于納米晶的（d）∑3和（e）∑9晶界
圖3 TKD結(jié)果分別顯示了（a）#5-TiC/316LSS復(fù)合材料和（b）#23-TiC/316LSS復(fù)合材料的STEM、BSE、IPF和CSL晶界分布圖。STEM圖像顯示（c）細(xì)長的納米晶（d）寬的納米晶（e）復(fù)合材料中擴(kuò)散的9R形態(tài)。對應(yīng)于這些位置的SAED模式提供了具有取向關(guān)系的基體、孿晶和9R的晶體學(xué)信息
圖4（a）9R的晶體結(jié)構(gòu)與基體?→?9R→孿晶轉(zhuǎn)變（b）HRTEM圖像顯示ITB通過矩陣變換的Shockley部分滑動遷移基體?→?9R→孿晶轉(zhuǎn)變。
圖5（a）在LPBF熱循環(huán)過程中，TiC納米顆粒誘導(dǎo)孿晶生長與動態(tài)再結(jié)晶（DRX）相關(guān)。沿[101]軸區(qū)域（b）HRTEM圖像顯示TiC納米顆粒和基體界面處的不連續(xù)扭曲9R；（c）HRTEM圖像分別顯示未變形部分的完全和不完全9R結(jié)構(gòu)分別形成ITB和CTB。
LPBF工藝參數(shù)對AM-GBE處理中特殊晶界的比例有可預(yù)測的影響。本文總結(jié)了特殊晶界的演化機(jī)制。激光能量密度的增加降低了生長9R。掃描間距的減小導(dǎo)致脫孿生和9R轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆诲e，并降低了特殊晶界的比例。此外，LPBF工藝參數(shù)也會影響復(fù)合材料的激光加工質(zhì)量，是開發(fā)人員研究中必須考慮的問題。在本研究中，我們采用增材制造晶界工程(AM-GBE)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了TiC納米顆粒誘導(dǎo)的顯微偏析，該微結(jié)構(gòu)通過可預(yù)測的工藝參數(shù)來控制。由此獲得了納米孿晶和特殊的晶界結(jié)構(gòu)，揭示了AM-GBE的巨大潛力。
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