對(duì)于鑄造、鍛造和等靜壓制等金屬加工工藝，加熱-冷卻機(jī)制持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、更受控制，也更均勻。但是，對(duì)于 SLM（選擇性激光熔化）、EBM（電子束熔融）和 DED（定量能量沉積）等粉床增材制造，加熱-冷卻機(jī)制非?？焖偾遗c特定位置相關(guān)，即使合金成分相同，也可能獲得與使用傳統(tǒng)工藝時(shí)不同的微結(jié)構(gòu)。 例如，使用不同加熱-冷卻機(jī)制或不同霧化氣體進(jìn)行氣體霧化的金屬合金粉末可以產(chǎn)生具有不同物相組成的產(chǎn)物，因此具有不同的機(jī)械特性。當(dāng)這種粉末在 EBM 或 SLM 過程中熔融并快速再結(jié)晶時(shí)，更有可能發(fā)生相變。后處理（如加熱、機(jī)加工和等靜壓制）可以進(jìn)一步改變材料。

加工條件不僅影響相組成，還影響到晶粒結(jié)構(gòu)。

晶粒取向（也稱為織構(gòu)）很重要，與粒度一樣，織構(gòu)與機(jī)械特性（如化學(xué)反應(yīng)性、強(qiáng)度和變形響應(yīng)）相關(guān)，并可能導(dǎo)致缺陷和過早失效。更好地了解 EBM、SLM 和 DED 工藝以及這些工藝如何影響物料性質(zhì)可以為開發(fā)新材料打開創(chuàng)新大門。例如，可以使用粉床熔融工藝生產(chǎn)單晶合金，研究人員正在探索通過控制激光束或電子束的能量密度來操縱局部微結(jié)構(gòu)的方法。

殘余應(yīng)力是增材制造零件另一個(gè)與微結(jié)構(gòu)相關(guān)的重要特性。殘余應(yīng)力是在制造后留在組件中的應(yīng)力，除了任何外部施加的應(yīng)力之外，殘余應(yīng)力也會(huì)施加在組件上，從而增加機(jī)械失效的風(fēng)險(xiǎn)。增材制造組件由于工藝的性質(zhì)而更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這涉及高度局部化轉(zhuǎn)變和快速相變，而沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力松弛。殘余應(yīng)力可能發(fā)生在材料中的任何位置，但位于裂紋、孔隙或組件表面的殘余應(yīng)力最令人擔(dān)憂，因?yàn)檫@是應(yīng)力最集中的地方。

X 射線衍射是一種無損分析技術(shù)，在該技術(shù)中，入射 X 射線被晶體原子散射，以產(chǎn)生干涉效應(yīng)并形成衍射圖譜，如圖 1 所示。每種晶質(zhì)都根據(jù)其原子間距 (d) 產(chǎn)生特征衍射圖譜（“指紋譜"）。當(dāng) X 射線束遇到晶體中原子的規(guī)律性 3D 排列時(shí)，大多數(shù) X射線將相互產(chǎn)生無益的干涉而相互抵消，但在某些特定方向上，X 射線束會(huì)產(chǎn)生有益的干涉并相互增強(qiáng)。當(dāng)滿足布拉格定律時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。這些增強(qiáng)型衍射 X 射線產(chǎn)生了用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的 X 射線衍射圖譜。

圖1 . 在布拉格衍射圖中，具有相同波長(zhǎng)和相位的兩個(gè)光束從兩個(gè)間距為 d 的原子上散射以提供有益干涉

圖2中顯示了不同材料中不同晶相的衍射圖譜。純材料將顯示其中一種衍射圖譜，而三相混合物將顯示所有三種衍射圖的特征，峰高度指示相對(duì)濃度。

圖2. 奧氏體、鐵氧體和馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)衍射圖譜的圖示

晶粒度 – 晶粒度或晶粒尺寸可通過分析 XRD 峰寬度估算出來。可使用 Scherrer 公式確定晶粒度引起的峰寬化，更寬的峰對(duì)應(yīng)更小的晶粒度。Scherrer 公式適合計(jì)算微米以下的晶粒大小。Williamson Hall 圖或 Rietveld 分析等全譜方法更加準(zhǔn)確，因?yàn)檫@些方法可以區(qū)分晶粒度和微應(yīng)變對(duì)峰寬化的影響。

殘余應(yīng)力– 殘余應(yīng)力是一種宏觀應(yīng)力，可在組件制造過程中由塑性變形、熱梯度或相變引起。殘余應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致組件過早失效，但有時(shí)會(huì)有意引入以提高組件性能。材料中的殘余應(yīng)力將導(dǎo)致晶格間距發(fā)生變化，這可通過具有高靈敏度的 XRD 來揭示。在實(shí)踐中，在X 射線入射束相對(duì)于樣品的不同方向下測(cè)量適合的高角度衍射峰的位置， 由此可以確定不同方向上的晶格間距和相關(guān)的彈性應(yīng)變。如果材料的彈性常數(shù)已知，可以根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力。

織構(gòu) – 織構(gòu)決定著晶粒在三維空間中的取向。衍射圖中的峰值表示特定取向的某個(gè) (hkl) 晶面的強(qiáng)度。通過傾斜和旋轉(zhuǎn)安裝在樣品托架上的樣品，可以記錄取向球體上的晶面強(qiáng)度分布 – 極圖。晶粒的隨機(jī)取向?qū)?dǎo)致整個(gè)極圖上的強(qiáng)度一致，而不均勻的強(qiáng)度分布代表特定的織構(gòu)。在測(cè)量了一組獨(dú)立晶體取向的極圖后，可以計(jì)算晶粒的取向分布函數(shù) (ODF)。

圖3顯示了使用 Empyrean 銳影X 射線衍射儀測(cè)量的 Inconel 718 粉末的 X 射線衍射圖譜^[1]。這表明粉末含有鎳鉻固熔體（γ 相）和 bct-Ni3Nb（γ'' 相）。這兩個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)分別約為 85% 和 15%。

圖3  IN718 粉末樣品的 X 射線衍射 (XRD) 圖譜^【1】

本研究的目的是調(diào)查 Inconel 718 中的結(jié)構(gòu)、織構(gòu)和物相如何受到選擇性激光熔融 (SLM) 工藝和兩種后處理（均質(zhì)化

（1,100°C [2,012°F]，1 h）和熱等靜壓制 (HIP)（1,160°C [2,120°F]，100 MPa，4 h））的影響。 

圖 4 顯示了經(jīng)打印、均質(zhì)化和經(jīng) HIP 處理的圓柱形樣品的 XRD 光譜。從 XRD 結(jié)果中，SLM 打印樣品中的兩個(gè)相被確定為 γ 相和 γ'' 相 (bct-Ni3Nb)，這表明 SLM 工藝已導(dǎo)致起始粉末發(fā)生相變。均質(zhì)熱處理樣品的衍射圖表明，部分柱狀晶粒已生長(zhǎng)并改變了取向，形成了織構(gòu)在 [111] 方向的等軸晶粒，而其他晶粒則保持在 [002] 方向。在 HIP 處理后形成了更多等軸晶粒，衍射圖譜現(xiàn)在顯示 [111]、[222] 和 [022] 方向中的主要織構(gòu)。

本項(xiàng)工作展示了在粉床熔融過程和任何后處理過程中材料可能發(fā)生的微結(jié)構(gòu)變化，以及可以如何使用 XRD 來量化這些變化。

圖4 經(jīng)打印、均質(zhì)化和經(jīng) HIP 處理的 Inconel 718 樣品的 XRD 圖譜 ^【1】

參考文獻(xiàn)：

[1]     A. Mostafa, I. Picazo Rubio, V.Brailovski, M Jahazi, M Medraj. Structure, texture and phases in 3d printed IN718 alloy subjected to homogenization and hip treatments. Metals. 2017;7(6):196.