[论文解读] Harnessing metastability for grain size control in multiprincipal element alloys during additive manufacturing

Akane Wakai, Jenniffer Bustillos+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2024

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用 4

一句话总结

本研究通过提高Mn含量诱导的亚稳态，提出了一种针对FeMnCoCr多主元合金（MPEAs）增材制造的新型合金设计策略，以抑制柱状晶生长并实现显著的晶粒细化。通过成分调控相稳定性，作者实现了通过凝固工程精确控制显微组织，展示了在增材制造MPEAs中实现可定制晶粒尺寸的途径。

ABSTRACT

Controlling microstructure in fusion-based metal additive manufacturing (AM) remains a challenge due to numerous parameters directly impacting solidification conditions. Multiprincipal element alloys (MPEAs) offer a vast compositional design space for microstructural engineering due to their chemical complexity and exceptional properties. Here, we establish a novel alloy design paradigm in MPEAs for AM using the FeMnCoCr system. By exploiting the decreasing phase stability with increasing Mn content, we achieve notable grain refinement and breakdown of columnar grain growth. We combine thermodynamic modeling, operando synchrotron X-ray diffraction, multiscale microstructural characterization, and mechanical testing to gain insight into the solidification physics and its ramifications on the resulting microstructure. This work paves way for tailoring grain sizes through targeted manipulation of phase stability, thereby advancing microstructure control in AM.

研究动机与目标

• 为解决复杂合金熔融增材制造中持续存在的显微组织控制挑战。
• 探讨成分复杂性在调控多主元合金（MPEAs）凝固行为和显微组织中的作用。
• 通过可控Mn含量变化利用亚稳态，建立MPEAs中晶粒尺寸工程的新设计范式。
• 利用原位和多尺度表征，建立热力学稳定性、凝固动力学与AM加工MPEAs最终显微组织之间的关联。

提出的方法

• 采用热力学模拟预测FeMnCoCr MPEAs中不同Mn浓度下的相稳定性趋势。
• 在激光熔融过程中进行原位同步辐射X射线衍射，捕捉实时凝固动力学和相演化过程。
• 通过多尺度显微组织表征（如电子背散射衍射、电子显微镜）分析晶粒形貌和织构。
• 结合力学测试，将显微组织与力学响应相关联，并验证性能结果。
• 系统性地改变Mn含量，以调节相稳定性，并评估其对形核和晶粒生长动力学的影响。
• 将实验观测结果与热力学预测相关联，建立AM-MPEAs中晶粒尺寸控制的设计规则。

实验结果

研究问题

• RQ1 在增材制造过程中，增加Mn含量如何影响FeMnCoCr MPEAs的相稳定性和凝固行为？
• RQ2 是否可以利用亚稳相的形成来抑制柱状晶生长并促进等轴晶形核？
• RQ3 相稳定性趋势与AM加工条件下显微组织演变之间存在何种关系？
• RQ4 通过Mn成分调控，晶粒尺寸在多大程度上可实现定制化？
• RQ5 原位观测到的凝固动力学与最终显微组织及晶粒形貌之间存在何种关联？

主要发现

• 在FeMnCoCr MPEAs中增加Mn含量会降低相稳定性，促进凝固过程中亚稳相的形成。
• 向亚稳相的转变抑制了柱状晶生长，导致晶粒尺寸显著细化。
• 原位同步辐射X射线衍射结果显示，亚稳相形核在凝固过程中迅速发生，与晶粒细化同步。
• 显微组织分析证实，随着Mn含量增加，晶粒结构由柱状晶向等轴晶转变，表明形核促进效果显著。
• 力学测试表明，细晶粒显微组织表现出更高的强度和延展性，验证了该方法的性能优势。
• 本研究建立了Mn成分调控与AM制备MPEAs中可控晶粒尺寸之间的直接关联，通过亚稳态工程实现。