增材制造过程中对于微观组织演变的深刻理解有助于制备出高性能的零件。研究表明，增材制造微观组织在快速凝固的过程中容易沿着某一特性的取向进行生长，形成较强的织构。而由于工艺参数的差异，这种取向会发生略微的变化。但
目前对于微观组织形貌的空间分布和晶体学取向的形成机制仍不明确。来自英国帝国理工大学的研究表明，通过调整扫描策略可以降低强织构的形成，并且研究了侧向枝晶在改变取向中的作用，阐述了增材制造微观组织的演变机制。相关论文以题为“The role ofside-branching in microstructure development in laser powder-bed fusion”于2月6日发表在Nature Communications。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14453-3
作者以316L不锈钢和CrMnFeCoNi高熵合金为原材料，采用SLM工艺进行单道和多层多道实验，利用有限元模拟在不同扫描模式下局部温度梯度的变化。并且对不同扫描策略下的组织进行了表征分析。对于单道扫描路径下，由于熔池中心的温度梯度最大，沿着垂直于基板方向容易形成穿透多层的柱状晶。复杂扫描策略下，在熔池边上由于多道搭接对温度梯度产生影响，并且熔池本身温度梯度的变化也极为复杂，晶粒生长不会一直沿着平行于打印方向生长，这促使了侧向枝晶的生长。这使得原本在一个熔池中的晶粒生长方向和晶粒尺寸发生变化，进而形成复杂的微观组织形貌。
单道与多层多道成型高熵合金的凝固组织
打印过程中的气孔也会导致凝固生长方向发生改变。其中小气孔对于凝固组织几乎没有影响，而大气孔可以完全改变凝固组织的生长取向和微观组织形貌。这主要是由于气孔使得原本稳定的温度梯度和凝固速率降低而产生。
316不锈钢中气孔和微观组织变化
316不锈钢中由于连续生长和侧向枝晶生长引起的微观组织变化
双向往返扫描策略成型316不锈钢和高熵合金(HEA)的微观组织
在双向扫描沉积过程中，已凝固的焊道使得新熔池侧边的温度梯度方向没有沿原来晶粒的生长方向，新熔池凝固晶粒沿着凝固晶粒的侧向分支进行外延长大，从而在两个相邻的扫描轨迹上大幅度地扩展晶粒。也就是说侧向枝晶在竞争生长中有巨大的影响。棋盘式扫描策略中由于侧向枝晶的作用，使得晶粒生长呈螺旋式。
棋盘扫描策略下高熵合金晶粒的螺旋式生长
侧向枝晶生长产生的另一个重要作用是其对塑性各向异性的影响。改变扫描策略可以大大减小材料的各向异性。这对增材制造零件的性能改善有很大意义。
3D打印金属沉积中由于侧向枝晶的生长产生了“纵横交错”的层状微观组织和晶粒长大。特别是在改变扫描策略时，侧向枝晶主导微观组织的形成。此外，由于气孔的局部绝热效应，微观组织尺度的变化与大孔隙的存在密切相关，大气孔的存在导致微观组织的粗化。（文：砰砰砰砰）
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