[论文解读] The surface-tension-driven Benard conventions and unique sub-grain cellular microstructures in 316L steel selective laser melting

Xin Zhou, Yuan Zhong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 53被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在316L不锈钢选择性激光熔融（SLM）过程中，固/液界面处由表面张力驱动的Bénard对流诱导了自组织的亚晶粒细胞微结构，其尺度约为1 µm，呈现六边形、五边形和正方形图案。该机制源于糊状区中非线性的热对流与马兰戈尼对流不稳定性，解释了单体和大块SLM样品中对称细胞图案与微偏析共存的现象。

ABSTRACT

The unique sub-grain patterns have been found in some particular alloys (316L, Al-Si, Co-Cr-Mo) selective laser melting (SLM), the submicron-scale cellular, elongated cellular or even band structures are always coexisting inside one single macro-solidified grain. Furthermore, the cellular structures are symmetrical with hexagonal, pentagonal and square cellular patterns where the cellular size is only around 1μm. Single-layer and bulk 316L SLM experiments are presented that reveals the forming mechanism of these sub-grain cellular microstructures. Complex cellular sub-micron patterns were formed by the local convection and Bénard Instabilities in front of the solid/liquid (S/L) interface (so-called mushy zones) affected by intricate temperature and surface tension gradients. In other words, this nonlinear self-organization phenomenon (Bénard Instability) occurring at the S/L interface is superimposed on the macro-grain solidification process to form the sub-grain patterns/structures and elemental microsegregations. This simple and unified explanation can be expanded to other eutectic alloys formed by SLM, like the Al-Si system.

研究动机与目标

• 识别在选择性激光熔融（SLM）工艺制备的316L不锈钢中，独特亚晶粒细胞微结构形成的潜在物理机制。
• 研究在SLM过程中，单个大晶粒内如何形成具有亚微米尺度（~1 µm）的复杂对称细胞图案（六边形、五边形、正方形）。
• 阐明热梯度与表面张力梯度在驱动糊状区不稳定性方面的作用，从而导致微结构自组织。
• 为其他SLM制备的共晶合金（如Al-Si）中观察到的类似亚晶粒图案提供统一解释。

提出的方法

• 在受控加工条件下，开展单层和大块316L不锈钢选择性激光熔融实验，以观察微结构演化过程。
• 采用高分辨率电子背散射衍射（EBSD）以及光学/电子显微镜，表征亚晶粒细胞图案与晶粒结构。
• 分析固/液（S/L）界面处的温度梯度与表面张力梯度，以识别对流的驱动力。
• 建立糊状区中Bénard不稳定性发生的模型，其中热应力与马兰戈尼应力共同诱导细胞对流图案。
• 将观测到的微结构与在热梯度与表面张力梯度作用下非线性自组织的理论预测进行对比。
• 基于相似的物理机制，将研究结果推广至其他SLM制备的共晶体系，如Al-Si。

实验结果

研究问题

• RQ1 在选择性激光熔融过程中，是什么物理机制驱动了316L不锈钢中对称的亚微米细胞微结构的形成？
• RQ2 固/液界面处的热梯度与表面张力梯度如何影响糊状区细胞图案的发展？
• RQ3 为何在SLM制备的316L不锈钢单个大晶粒内，六边形、五边形和正方形细胞图案会共存？
• RQ4 Bénard不稳定性模型在多大程度上能够解释SLM加工合金中观测到的微偏析与微结构对称性？
• RQ5 所提出的机制是否可推广至其他通过选择性激光熔融工艺制备的共晶合金（如Al-Si）？

主要发现

• 316L不锈钢SLM中，由于固/液界面处表面张力驱动的Bénard对流，形成了具有六边形、五边形和正方形对称性的亚微米细胞微结构。
• 细胞图案的特征尺寸约为1 µm，与糊状区中马兰戈尼驱动对流的起始条件一致。
• 这些图案的形成由非线性的热梯度与表面张力梯度驱动，导致在凝固前沿液膜中产生不稳定性。
• 元素的微偏析与对流流动图案密切相关，溶质富集现象在细胞边界处被观察到。
• 该机制同样可解释其他SLM制备的共晶合金（如Al-Si）中类似的亚晶粒图案，表明其具有普遍的物理起源。
• 单层与大块SLM实验结果证实，该现象具有可重复性，且与宏观晶粒结构无关。