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晶界工程（GBE）是一種熱加工策略，旨在通過(guò)在微結構中添加特殊類(lèi)型的晶界，如孿晶界，來(lái)提高多晶金屬的物理力學(xué)性能。通過(guò)控制這些微觀(guān)結構的分布和排列，可以賦予其獨特的力學(xué)行為或結合整體材料中相互排斥的性能。傳統的GBE通過(guò)變形和退火來(lái)調節和控制晶界。然而，在使用的熱處理過(guò)程中，大量的粗孿晶會(huì )導致胞狀結構丟失，力學(xué)性能急劇下降，這可能會(huì )影響材料的性能。在磁控濺射制備的Al層中發(fā)現了大量的納米孿晶和9R相，并表現出較強的厚度依賴(lài)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)生機械強化效應。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(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。
近日，南方科技大學(xué)高性能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗室白家鳴教授團隊，他們提出了一種有效的策略，通過(guò)引入TiC納米顆粒和LPBF增材制造工藝來(lái)制備具有納米孿晶強化效應和特殊晶界比例高的TiC/316L不銹鋼復合材料。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隊項目、深圳市科技創(chuàng )新項目、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)復合材料設計的激光粉末床熔合(LPBF)過(guò)程中控制具有特殊晶界和納米孿晶的復合材料微結構的新加工方案。此外，還提出了一種微觀(guān)機理。LPBF熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應力導致非晶態(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變。非共格孿晶界的遷移再生了高比例的特殊晶界。在機理分析的基礎上，通過(guò)優(yōu)化激光功率、掃描速度和縫隙間距，解釋了TiC納米顆粒團聚、晶粒細化和組織中特殊晶界的演變過(guò)程。結果表明，經(jīng)熱機械處理后的TiC/316LSS復合材料具有明顯改善的性能，包括局部殘余應力降低和晶粒細化，明顯優(yōu)于常規熱機械處理后的316LSS復合材料。復合材料具有較高比例的特殊晶界和納米孿晶，它們通過(guò)LPBF過(guò)程中產(chǎn)生的超細位錯胞結構保持壁強化。在增材制造中，通過(guò)對工藝參數的可預見(jiàn)性調整來(lái)實(shí)現微結構控制。因此，通過(guò)優(yōu)化LPBF參數和偏析誘導設計，增材制造晶界工程(AM-GBE)顯示出巨大的發(fā)展潛力。
LPBF工藝參數對AM-GBE處理中特殊晶界的比例有可預測的影響。本文總結了特殊晶界的演化機制。激光能量密度的增加降低了生長(cháng)9R。掃描間距的減小導致脫孿生和9R轉變?yōu)橥耆诲e，并降低了特殊晶界的比例。此外，LPBF工藝參數也會(huì )影響復合材料的激光加工質(zhì)量，是開(kāi)發(fā)人員研究中必須考慮的問(wèn)題。在本研究中，我們采用增材制造晶界工程(AM-GBE)微結構設計了TiC納米顆粒誘導的顯微偏析，該微結構通過(guò)可預測的工藝參數來(lái)控制。由此獲得了納米孿晶和特殊的晶界結構，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)驗室白家鳴教授團隊，他們提出了一種有效的策略，通過(guò)引入TiC納米顆粒和LPBF增材制造工藝來(lái)制備具有納米孿晶強化效應和特殊晶界比例高的TiC/316L不銹鋼復合材料。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隊項目、深圳市科技創(chuàng )新項目、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)復合材料設計的激光粉末床熔合(LPBF)過(guò)程中控制具有特殊晶界和納米孿晶的復合材料微結構的新加工方案。此外，還提出了一種微觀(guān)機理。LPBF熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應力導致非晶態(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變。非共格孿晶界的遷移再生了高比例的特殊晶界。在機理分析的基礎上，通過(guò)優(yōu)化激光功率、掃描速度和縫隙間距，解釋了TiC納米顆粒團聚、晶粒細化和組織中特殊晶界的演變過(guò)程。結果表明，經(jīng)熱機械處理后的TiC/316LSS復合材料具有明顯改善的性能，包括局部殘余應力降低和晶粒細化，明顯優(yōu)于常規熱機械處理后的316LSS復合材料。復合材料具有較高比例的特殊晶界和納米孿晶，它們通過(guò)LPBF過(guò)程中產(chǎn)生的超細位錯胞結構保持壁強化。在增材制造中，通過(guò)對工藝參數的可預見(jiàn)性調整來(lái)實(shí)現微結構控制。因此，通過(guò)優(yōu)化LPBF參數和偏析誘導設計，增材制造晶界工程(AM-GBE)顯示出巨大的發(fā)展潛力。
摘要圖
圖1 成形過(guò)程示意圖以及工藝參數
圖2 TiC團聚顆粒附近的晶界結構。（a）TKD結果：IPF、KAM、GOS、CSL晶界分布圖，標記1-4顯示在孿晶和基體中；（b）模擬結果顯示了對應于晶界位置i和ii的SAED模式；（c）雙變異體在暗視野形態(tài)中的分布；SAED圖形分別對應于納米晶的（d）∑3和（e）∑9晶界
圖3 TKD結果分別顯示了（a）#5-TiC/316LSS復合材料和（b）#23-TiC/316LSS復合材料的STEM、BSE、IPF和CSL晶界分布圖。STEM圖像顯示（c）細長(cháng)的納米晶（d）寬的納米晶（e）復合材料中擴散的9R形態(tài)。對應于這些位置的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的晶體結構與基體?→?9R→孿晶轉變（b）HRTEM圖像顯示ITB通過(guò)矩陣變換的Shockley部分滑動(dòng)遷移基體?→?9R→孿晶轉變。
圖5（a）在LPBF熱循環(huán)過(guò)程中，TiC納米顆粒誘導孿晶生長(cháng)與動(dòng)態(tài)再結晶（DRX）相關(guān)。沿[101]軸區域（b）HRTEM圖像顯示TiC納米顆粒和基體界面處的不連續扭曲9R；（c）HRTEM圖像分別顯示未變形部分的完全和不完全9R結構分別形成ITB和CTB。
LPBF工藝參數對AM-GBE處理中特殊晶界的比例有可預測的影響。本文總結了特殊晶界的演化機制。激光能量密度的增加降低了生長(cháng)9R。掃描間距的減小導致脫孿生和9R轉變?yōu)橥耆诲e，并降低了特殊晶界的比例。此外，LPBF工藝參數也會(huì )影響復合材料的激光加工質(zhì)量，是開(kāi)發(fā)人員研究中必須考慮的問(wèn)題。在本研究中，我們采用增材制造晶界工程(AM-GBE)微結構設計了TiC納米顆粒誘導的顯微偏析，該微結構通過(guò)可預測的工藝參數來(lái)控制。由此獲得了納米孿晶和特殊的晶界結構，揭示了AM-GBE的巨大潛力。
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