自然通讯：通过优化3D打印粉末尺寸，实现晶粒形态和尺寸控制-微观结构控制新选项

采用3D打印技术制造的零件机械性能，在没有加工缺陷的情况下，很大程度上取决于其微观结构。因此，在零件制造过程中控制微观结构演变，有利于生产具有可预测机械性能的复杂形状。

对金属增材制造技术而言，细晶等轴微观结构是理想的，它能抵抗热裂纹并赋予材料各向同性。这反过来又削弱了较弱、易产生裂纹和具有方向性属性的长柱状晶粒的生长。尽管柱状晶粒的生长可能存在一些局限性，但它确实是制造具有优异蠕变寿命的微观结构的第一步，并最终实现单晶微观结构。迄今为止，在多种粉末熔融增材制造过程中实现柱状晶向等轴晶转变的最有效方法包括改变加工条件、激光束整形、合金成分重新设计、纳米级夹杂物诱导的异质成核、高强度超声波触发的晶粒细化或后处理驱动的再结晶。其中，最后四种方法迄今为止报道的仅是单向微观结构演化的控制，允许从柱状晶向等轴晶转变，而不是反向转变。此外，所有这些方法都需要深入研究，并且缺乏对定向能量沉积和粉末床熔融工艺的适应性。因此，有必要探索既经济又适用的可行替代方案，以在制造过程中实现等轴细晶微观结构或粗晶近单晶微观结构。

增材制造技术前沿注意到，来自新加坡3D打印中心、南洋理工大学机械与航空航天工程学院的研究人员，于4月11日在nature communications 发表了题为“ Powder-size driven facile microstructure control in powder-fusion metal additive manufacturing processes ”的文章。

该研究报告了一种粉末尺寸驱动的熔池控制方法，通过触发粉末尺寸对增材制造316L不锈钢微观结构的反直觉响应，实现了晶粒形态的简单且大规模控制。使用细粉末获得粗晶粒（>100μm）或接近单晶的微观结构，使用粗粉末获得近等轴、细晶粒（<10μm）的微观结构。这种方法显示出对定向能量沉积和粉末床熔融3D打印工艺的适应性，无需增加成本。其中，粉末尺寸依赖的粉末流动预热效应和粉末床热物理性质驱动了微观结构的变化。这项工作为利用材料粒径分布实现更可控、成本效益高和可持续的金属增材制造提供了一条途径。

在这项工作中，研究人员系统的改变了粉末尺寸，同时保持加工参数不变，探索了粉末尺寸分布对使用激光定向能量沉积（L-DED）工艺打印的316L不锈钢微观结构演变的影响。从单道沉积到块体样品的受控研究有助于隔离微观结构演变对粉末尺寸变化的响应。此外，研究人员还利用不同粉末尺寸对粉末床热物理性质以及对熔池凝固行为的影响，实现了电子束粉末床融合（E-PBF）过程中微观结构演变的双向控制。这种方法在不增加成本的情况下，分别使用粗粉和细粉获得了细等轴和粗柱状微观结构。

应用于E-PBF工艺的粉末尺寸驱动MPE，用于简单和大规模的微观结构控制

研究人员利用这种效应在L-DED打印的材料中创建具有空间分辨的粗晶和细晶体区域。在由粗粉制成的E-PBF样品中，实现了晶粒尺寸为9.2μm、纵横比为2.7的近乎等轴的微观结构。相比之下，常规样品具有直径为28μm、纵横比为10.9的粗柱状晶粒。精细的晶体微观结构使各向同性机械性能得以实现，由于应变硬化孪晶，拉伸强度提高了 17%，断裂伸长率提高了62%。

总的来说，该研究不仅展示了颗粒状原料粉末尺寸分布对增材制造微观结构的影响，还探索了如何利用粉末尺寸实现特定位置的微观结构控制。最终，使用细粉和粗粉制备的样品组均保留了316L不锈钢的原始化学成分。实现了对晶粒微观结构的简易控制，获得了以往难以实现的广泛晶粒形态和尺寸范围。3D打印样品的近等轴细晶微观结构是独一无二的，它为提升传统合金（如316L不锈钢）的性能提供了非凡可能性，如高强度和延展性、机械各向同性和均匀性以及超塑性。相反，使用细粉获得的近单晶微观结构为打印具有理想高温蠕变抵抗力的镍基高温合金单晶提供了指导。

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