闫文韬团队《AFM》：增材制造中元素蒸发如何影响成分分布？

金属增材制造(MAM) 为合金的设计和合成开辟了一条新的、有希望的途径。然而，在高度复杂和动态的熔化过程中，成分经常发生变化，其中蒸发元素损失起着重要作用，因为高能量密度不可避免地会导致损失。MAM 中蒸发引起的成分演变显著影响最终部件的微观结构和机械性能，而由于缺乏原位表征工具，其潜在机制很少被研究。

为探究其中的机理，新加坡国立大学闫文韬教授团队和香港城市大学王露教授团队，开发了首创的高保真模型并进行了实验，以系统地阐明熔池中的成分演变及其对机械性能的影响。该研究以题为“Evaporation-Induced Composition Evolution in Metal Additive Manufacturing”发表在《Advanced Functional Materials》。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202412071

本研究发现，由于小孔过热、剧烈的小孔波动和马兰戈尼效应，挥发性元素从熔池表面蒸发，不均匀的成分演变为熔池内的3D卷云状分布，并直接影响各部分的力学性能。

图1.蒸发引起的成分变化。（a）熔池成分演变示意图。（b-c 和 f-g）和（d-e）是第一次熔化和重熔的结果。（b 和 d）维纳滤波 EPMA 结果。（c 和 e-g）模拟结果。（f）案例 1 中另一个横截面的 Zn 和（g）Mg 浓度分布，与（c）相距 。（h）轨道中 3D 卷云状分布的低 Zn 浓度。（i）案例 1 中重熔轨道纵剖面 Zn 浓度的滤波 EPMA 结果。模拟的重熔轨道（j）纵剖面 、（k）重熔轨道中间纵剖面 和（l）案例 1 中第一条轨道纵剖面 中的 Zn 浓度分布。

图2.成分分布对性能的影响(a) 微柱压缩试验在不同区域的应变-应力曲线，其中 P0 位于基材上，P1-P3 从熔体区域边缘到中间，如 (b) 所示。(b) 晶体取向的 EBSD 图像 (IPFZ) 和 (c) 熔体轨迹横截面内的 KAM 分布。对所有 P0-P3 沿 [111] 方向施加压缩载荷。(d) 熔体轨迹横截面内模拟的初始滑移阻力分布。(e) 在不同晶体取向和 (d) 中标记位置下模拟的应力-应变响应，其中 0.2% 工程应变用作确定屈服应力的标准。(f) 压缩试验前后微柱的 SEM 图像。

图3.蒸发诱导成分演变的机理。激光扫描过程中熔池中 (a) 温度、(b) 蒸发速率、(c) 速度大小、(d) 流线和 (e) Zn 演变快照的模拟结果。。(a-c) 中的白色实线和 (d) 中的轮廓线为熔池的边界。(e) 中的黑色箭头表示小孔底部波动方向，白色箭头 1 和 2 表示案例 1 中熔池上部和下部区域低 Zn 浓度流体的流向。

另一个新发现是，小孔塌陷引起的瞬间气泡阻碍了液体流动，加剧了元素偏析，从而增加了开裂的可能性，而这只能归因于高温度梯度和冷却速度。这项研究强调，蒸发引起的成分演变是未来 MAM 合金设计的关键问题，而计算模拟是一种强有力的工具，可以提供指导。

图4.可能影响裂纹形成的因素。（a）光学显微镜的金相照片，裂纹用箭头表示。（b）熔池温度梯度和（c）冷却速率的模拟结果。（d）原位 L-PBF 过程中裂纹从熔池底部扩展到表面。（e）模拟熔池中 Zn 浓度随气泡瞬时运动的变化。（b-c）中的白色实线和（e）中的黑色虚线表示凝固前沿（液相线温度）。（e）中的灰色虚线椭圆表示熔池底部的浓度变化。

总结：利用高保真模拟和详细的实验表征，我们系统地阐释了蒸发元素损失引起的成分演变及其对力学性能的影响。锁孔波动、马兰戈尼效应和元素的不同沸点/蒸发速率导致熔池内的成分变化通常产生 3D 卷云状分布。此外，除了高温梯度和冷却速率之外，锁孔塌陷和锁孔孔隙引起的瞬间气泡可能会阻碍液体对流，加剧元素偏析并在开裂中起关键作用。所有这些发现都表明，蒸发元素损失和由此产生的力学性能局部变化与制造参数密切相关，而不是完全与原料材料的化学成分决定。在未来的 MAM 合金设计中，应考虑制造过程中蒸发引起的成分演变，并需要对原材料成分和制造参数进行综合设计，其中计算模拟是一个提供指导的强大工具。

作者简介：

王露，男，香港城市大学助理教授，师从新加坡国立大学闫文韬教授。主要从事金属增材制造工作。已发表相关论文近20篇，其中高被引论文一篇，包括International Journal of Machine Tools and Manufacture, npj Computational Materials, Physical Review Applied等，谷歌学术应用670余次，并获得2022年度国家优秀自费留学生奖学金。 团队招收博士和博士后研究员，欢 迎具备相关研究背景学生申请。Web: https://johnluwang.github.io/

闫文韬，男，新加坡国立大学助理教授，长期从事先进制造和多物理建模研究，团队成员超过 30 人，包括博士后和博士/联合博士生。在AM 工艺-组织-性能关系建模方面的工作得到了世界广泛认可，在 2022 年NIST AM 台架模拟挑战赛中赢得9 个奖项（共 40 个），成为获奖最多团队。在Nature Communication, Advanced Energy Materials, Acta Materiallia, Journal of the Mechanics and Physics等国际顶级期刊发表学术论文120余篇，论文引用5900余次。团队招收博士和博士后研究员，欢迎具备相关研究背景学生申请。Web: https://blog.nus.edu.sg/yanwt/home/

来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。