迄今为止，激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术 和后热处理过程中微观结构不均匀性的演变尚未得到系统的量化和研究。 一方面，需要了解激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造技术诱导的液-固以及固-固相变及其对低合金钢微观结构不均匀性形成的影响。 另一方面，L-PBF 固有的独特热分布引入了在竣工状态下获得 L-PBF 特定微观结构的可能性。为了积极利用这种可能性，对潜在相变的深刻理解至关重要。
亚琛工业大学在MatAM 项目（汽车行业增材制造高性能材料设计）的框架内完成的一项研究《Evolution of microstructural heterogeneities in additively manufactured low-alloy steel》探究了 L-PBF 固有特性和后热处理对双相低合金 (DPLA) 钢潜在液-固和固-固相变以及相关微观结构演变的作用。 多尺度微观结构表征与多相场模拟相结合，以获得对相变机制和由此产生的微观结构异质性的基本见解。 此外，还批判性地讨论了 L-PBF 引起的成分和形态异质性对热处理状态微观结构演变和相应拉伸性能的影响。
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论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004724?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1
为了实现汽车轻量化，高强度钢大量应用于汽车车身、底盘、悬架和转向零件上。其中，双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢能满足汽车多种结构件的使用，包括用作车身结构件-为结构复杂的冲压件以及非车身结构件-主要包括悬挂件、底盘和车轮等。
《洞悉双相钢3D打印对汽车增材制造的意义》
微观演变的见解
了解低合金多相钢增材制造 (AM) 过程中复杂的相变是发现形成增材制造特有的异质微观结构的机制的必要任务。在亚琛工业大学的研究中，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术加工DP600双相钢，以获得关于增材制造期间和增材制造后热处理期间低合金钢微观结构演变的见解。
探索增材制造和增材制造后热处理过程中低合金多相钢微观结构不均匀性的影响和演变，研究人员采用激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术加工了 DP600 双相 (DP) 钢。采用两种不同的 L-PBF 后热处理，即奥氏体化后等温保持 (AIH) 和临界间退火 (IC)，以诱导铁素体 – 马氏体双相微观结构。
尽管几何方面和部件设计的控制已达到某种成熟度，但明显受益于激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造工艺的局部热加工合金的设计、开发和优化仍然是一项重要任务。在激光粉末床熔融 (L-PBF)金属3D打印过程中，合金经历了熔化-凝固相关的独特热循环，并伴随着非常高的冷却速率和温度梯度。这些条件导致复杂的液-固和固-固相变。因此，热分布的空间变化促进了局部变化的微观结构的形成，激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造过程中形成的微观结构异质性通常包括具有明显织构的柱状晶粒、异质晶粒尺寸和形态、成分异质性、位错亚结构、微米和纳米沉淀物，具体取决于加工参数和合金成分。据报道，这种分层异质结构可能会促进独特的材料特性，而在某些情况下，这些特性是传统工艺的无法实现的对应结构。为了利用 L-PBF 提供的材料设计可能性，需要对异质微观结构的演变及其相关形成机制有充分的了解。
亚琛工业大学的研究人员采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术加工成分与 DP600 双相钢类似的低合金钢。随后，进行两次L-PBF后热处理以获得铁素体-马氏体DP显微组织。第一次热处理包括奥氏体化，然后在铁素体 (α)/奥氏体 (γ) 区域 (AIH) 进行等温保持，而第二次热处理包括在 α/γ 区域进行临界间退火 (IC)。竣工状态表现出回火马氏体微观结构，具有弱（几乎随机）的晶体结构以及成分和形态的不均匀性。
多相场模拟和多尺度微观结构表征相结合表明，竣工状态下成分和形态异质性的形成是由连续的液-固（δ-铁素体（δ）→γ）和固-固（γ ↔）控制的。马氏体 (α΄)) 相变。对于两种 L-PBF 后热处理，L-PBF 期间形成的 Mn 偏析带导致退火后出现不均匀的 α΄ 分布。电子探针分析（EPMA）测量表明，局部Mn和C分布与α和α΄的空间分布密切相关。
图 1. (a) 后热处理策略和 (b) 根据竣工的 120 W 状态（黑色直线）和 DPLA 粉末（黑色虚线）的标称成分计算出的平衡相图。 红色虚线表示C含量。
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图 2. 使用 FE 模型对竣工 120 W 状态进行单轨模拟，构建和扫描方向分别被描述为BD和SD。(a) 模拟设置显示在选定的 L-PBF 条件下凝固过程中的瞬态温度分布和熔池几何形状，(b) 模拟熔池的相应横截面，(c) 横截面中选定节点的时间温度演变 (b)、(d) TLiquidus 和 TSolidus 之间的凝固冷却速率和凝固时间与熔池深度的函数关系，(e) 800 至 500°C 之间的冷却速率和冷却时间与熔池深度的函数关系 。50 μm 代表熔池的底部边界，而 0 μm 则代表熔池的顶部。以 10μm 增量选择节点。
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图 3. 与构建方向平行获得的竣工 120 W 状态的微观结构特征。(a) 光学显微照片和 (b) 大块样品最上层和中间层蚀刻横截面的 SE 显微照片。压痕表示显微硬度测量的位置。橙色虚线表示从（b）中的中间层拍摄的显微照片中先前的熔池边界。
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图 6. 从平行于构建方向的横截面中部获取的竣工和热处理 120 W 样品的 EPMA 结果。
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结论
研究发现：
- 竣工状态显示出回火马氏体显微组织，具有弱晶体织构、细晶粒和粗晶粒簇以及成分不均匀性。
- 通过多相场模拟和多尺度微观结构表征，该研究揭示了复杂的液-固和固-固相变在形成成分和形态异质性中的作用，从而导致竣工状态下的增材制造特定的微观结构。
- 经过后续的热处理，研究人员发现相变受到增材制造带来的细尺度成分异质性的严重影响，这种异质性局部控制相变动力学并严重影响铁素体和马氏体的空间分布。
- AIH 热处理消除了形态不均匀性，即粗晶粒和细晶粒团簇，并产生均匀的晶粒形态分布。
- 然而，IC 热处理保留了 L-PBF 过程中形成的粗晶粒和细晶粒簇。因此，IC 热处理导致铁素体和马氏体分布在 L-PBF 后建立的独特晶粒形态分布内，从而获得最佳的机械性能——高拉伸强度 (890.9 MPa) 和相对较高的延展性 (20.5%)。
论文 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004724?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1
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