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导读：增材制造被认为开启了精密微细加工的新时代，并且对使用选择性激光熔化（SLM）制造的原型多主元素合金FeCrNi进行了过程中的动态微观结构演变以及实验模拟相关研究。实验结果表明，柱状晶体在包层上生长，并且在填充晶体中形成致密的蜂窝结构。在微米尺度，所有组成元素分布均匀，而在近原子尺度，Cr元素明显偏析。原子尺度的模拟结果表明：i）晶粒生长过程中的固液界面由于径向温度梯度由水平变为弧形；ii) 沉淀物、微尺度空隙、由于热梯度，堆垛层错也会动态形成，从而导致增材制造结构中的残余应力。目前的工作通过实验和模拟的结合，提供了对SLM过程中微观结构演化的原子级理解。
选择性激光熔化(SLM) 是一种新的增材制造(AM) 技术，它通过逐层跟踪三维 (3D) 模型的二维 (2D) 横截面来制造材料。使用高功率激光束作为能源，可以使用SLM 制造许多合金，例如不锈钢、钛合金和难熔合金。现在，SLM在航空航天、生物、深海等领域有着广泛的应用。SLM是从选择性激光烧结(SLS)发展而来的，通过重熔合金粉末，具有更好的层间粘合力。SLM加工参数，如激光功率、激光光斑尺寸、扫描速度、影线间距、影线样式和层厚，在很宽的范围内具有可调性，这对零件的质量和微观结构有显着影响。因此，SLM被认为是实现材料目标性能的有效手段。例如，由于良好的熔池质量，高激光功率和低扫描速度会产生高硬度。通过调整SLM 参数，提高的表面精度和减少的孔隙率提高了材料的疲劳性能。通过控制SLM参数，可以制造99%密度的316L SS。
最近，SLMed多主元素合金 (MPEA) 显示出高强度、良好的延展性和高硬度的机械性能。例如，具有几乎完全致密结构的SLMed CoCrFeNiMn MPEA由于分层微观结构（如位错、蜂窝结构和柱状晶粒）赋予了强度和延展性的出色组合。此外，σ相和纳米孪晶的协同作用显着提高了SLMed CoCrFeNiMn的机械性能。 具有精细微观结构和全密度的SLMed FeCoCrNiC MPEA具有656 MPa的高屈服应力和797 MPa的出色抗拉强度。同时，SLM技术与可控退火相结合，有效降低了位错密度，调整了MPEA的泡孔结构，有利于提高抗氢脆性。此外，SLMed FeCrNi MPEA由于沿位错晶胞边界的Cr偏析，显示出腐蚀和机械性能的有效结合。
为了探索SLM过程中的动态微观结构演化，分子动力学(MD)模拟可作为揭示纳米尺度潜在机制的有力辅助工具。MD模拟提供了纳米级微观结构演化，在几微秒内具有急剧的温度变化，但这一结果很难通过传统实验来测量。例如，MD模拟显示了熔池边界处的动态形核和晶粒生长。通过MD模拟研究了冷却速率对 AlCoCrCuFeNi MPEA力学行为的影响。
尽管已经研究了SLMed MPEA的机械性能，在纳米尺度上很少揭示它们在SLM进展过程中的实时微观结构演变和影响机制。为了解决这个问题，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李佳副教授团队制作了SLMed FeCrNi MPEA的板材样品，并系统地分析了微观结构。同时，基于实验表征结果，利用原子模拟在纳米尺度上研究了SLM过程中动态微观结构的演变，进而进一步研究了微观结构与力学性能之间的关系。在目前的工作中，实验结合MD模拟为研究 SLMed FeCrNi的局部形成过程提供了直观的视角。
相关研究成果以题“Formation process and mechanical properties in selective laser melted multi-principal-element alloys”发表在金属顶刊Journal of Materials Science & Technology上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222005539
在工作中，我们通过实验和原子模拟研究了SLMed FeCrNi MPEA的形成过程和力学性能。在SLMed FeCrNi中观察到跨越熔池生长的柱状晶体和晶粒内的大量蜂窝结构。通过表征元素在不同尺度上的分布，元素在微米尺度上分布均匀，而在纳米尺度上有明显的Cr簇。原子模拟表明，纳米级粉末在高于熔点的温度下完全熔化，并在重力作用下填充间隙，形成均匀的液态熔池。随着熔池逐渐冷却，在纳米尺度上观察到柱状晶的生长。固液界面的形状由扁平线变为弧线，由于径向温度梯度强和粘度差大。凝固过程伴随着元素重新分布，Cr偏析与温度梯度密切相关。SFs和小空隙随着柱状晶体的生长而逐渐产生，这反映了实际应用的局限性。SLM技术无法实现完全致密化。
图 1。(a) 预合金化 FeCrNi MEA 粉末的一般形态。(b) 粉末颗粒的尺寸分布。
图 2。SLMed FeCrNi MPEA 的原子模型。原子模型的局部区域根据晶体结构在红色框中突出显示。
图 3。(a) SLMed FeCrNi MPEA 的 SEM 显微照片。(b, c) 显示晶粒内部细胞结构的 SEM 显微照片。(d) EBSD IPF 图和 (e) 与 HAGB 和 LAGB 叠加的 EBSD 图像质量 (IQ) 图。(f) 偏向角的数值统计。对于 SLMed FeCrNi，（g）残余位错和（h）SFs 的 TEM 图像。黄色虚线代表位错壁。(i) SFE 作为FeCrNi MPEA中归一化Burgers 向量的函数。
图 4。(a) SLMed FeCrNi 宏观尺度元素分布的EPMA结果，(b) 近原子尺度局部化学信息的 APT 图像，红色虚线框表示明显的元素偏析。(c) 沿黑色虚线测量的元素组成。
图 5。(a) SLMed FeCrNi、铸造 FeCrNi [17]和 SLMed 316L [40]的应力-应变曲线。(b) 变形后的 TEM 明场图像。
图 6。熔化和凝固过程。(a) 熔池冷却温度随时间的增加。不同时间模型的剖面图：(b) 0, (c) 100, (d) 160, (e) 200, (f) 250, (g) 310, (h) 400, (i ) 430 和 (j) 550 ps。蓝色框内的原子按温度着色，蓝色框外的原子按原子结构着色。红色箭头表示热传导方向，红色弧线表示柱状晶边界，蓝色箭头表示熔池深度。
图 7。SLM过程中的 Cr 元素分布。模型在不同时间的截面图：(a) 0, (b) 100, (c) 160, (d) 200, (e) 250, (f) 310, (g) 400, (h) ) 430 和 (i) 550 ps。右侧的原子由温度着色，其他区域由原子结构着色。
图 8。不同时间的位错和SF分布：（a）200，（b）250，（c）310，（d）400，（e）430和（f）550 ps。此处，红色原子代表HCP结构，绿线代表1/6<112>Shockley位错，粉红色线代表1/6<110>阶梯杆位错，蓝线代表1/6<110>完美位错，天蓝色线是1/3 111 坦率位错，红线是其他位错。
图 9。(a, b)退火前后显微组织的快照。(c, d) 退火前后的缺陷。(e, f) 退火前后的元素分布。
图 10。(a) 沿x和y加载方向的应力-应变曲线。(b) x加载方向和 (c) y加载方向在屈服点的微观结构。
图 11。(a) 具有不同模拟单元的 SLMed FeCrNi MPEA 的应力-应变曲线。样品 (b) S1 和 (c) S2 在屈服点的微观结构。
图 12。MD 模拟与物理模型在x和y加载方向上的屈服应力比较。网格列表示从 MD 获得的屈服强度。颜色柱代表不同强化机制对屈服强度的贡献，其中红色柱为位错强化，绿色柱为晶格畸变强化，黄色柱为界面强化。
此外，晶粒中残余位错的扩散和滑移是SLMed FeCrNi的主要塑性变形。GB变形产生的位错对界面强化有很大影响。因此，基于模拟结果，建立了基于微观结构的物理模型，用于分析微观结构对强度的贡献。理论计算结果进一步证明，除了位错强化外，界面强化机制是强度的重要决定因素。通过实验和模拟相结合，目前的研究为深入了解SLMed微观结构的形成机制和力学性能，以开发先进合金。
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