导读：本文在定向能量沉积增材制造过程中，通过在空间上控制功能梯度不锈钢中晶界锯齿化程度。晶界锯齿是多晶微结构中的一个吸引人的特征，因为它赋予了超强的抵抗裂纹扩展和热腐蚀的能力。在微观结构尺度上的定量测量与热力学计算相结合，使我们能够提出一种机制来解释晶界锯齿的起源。由Cr/Ni比控制的凝固过程中瞬态δ铁素体的形成及其随后在冷却过程中的溶解导致了残余铁素体颗粒的形成，这些残余铁素体颗粒通过Smith - Zener钉扎现象阻碍了固态奥氏体晶粒的生长。这一发现为增材制造过程中的原位晶界工程开辟了新的视角。

功能分级是材料设计中一种令人兴奋和新生的策略，它在实现对局部机械、热或环境特性的精确控制方面具有重要的前景。增材制造( AM )，特别是熔粉快速成形定向能量沉积( DED )，已迅速成为制造功能梯度材料( FGMs )的有力工具。DED具有高度的通用性，为每种材料使用单独的送粉器，可实现多材料沉积。使用DED的功能分级不仅已被证明可以实现精确的成分控制，而且它也已成为一种强有力的工具，通过复合电沉积多种材料以不同的比例设计新的合金。在预期的化学梯度之外，功能梯度有时会导致错综复杂的微观结构，在梯度区域具有剧烈的拓扑变化，包括密集的GB网络。多晶材料的GB网络控制着其大部分的热学、力学和环境性能。

数十年的研究工作旨在使用诸如晶界工程( GBE ) 等方法来裁剪这个网络。一种特别寻求的拓扑特征GB锯齿( GBS )：首先由Koul等人证明，GBS已被证明通过降低空化率和减缓裂纹扩展在高温合金中达到850℃来提高蠕变抗力。GBS还通过阻碍硫和氧的逾渗来缓解热腐蚀。GBS普遍存在于许多材料中，包括镍高温合金，不锈钢，铝合金，镁合金以及高熵合金。在变形镍基高温合金中，GBS的机制已经进行了大量的研究，其中GBS通常通过特殊的退火处理通过固态加工触发。GBS起源于从过固溶温度冷却过程中第二相粒子的不连续析出，典型的有γ ' ( Ni3Al ) 、γ '或δ ( Ni3Nb ) 析出物或M23C6、M7C3碳化物。导致GBS的主要机制与Smith - Zener钉扎类似：冷却时，第二相粒子对迁移晶界施加抵消压力，局部抑制其运动。与颗粒接触的部分边界保持静止，其余部分边界轻微移动，导致波浪形拓扑结构。GBS起源机制的基本知识已被用于新的合金设计范例以及具有优异性能的变形多晶合金的创新加工途径。

本文揭示了通过使用原位合金化生产的功能梯度不锈钢中存在强烈的GBS变化作为Cr/Ni比的函数。与先前报道的GBS机制不同，锯齿在凝固过程中动态形成，δ铁素体颗粒作为奥氏体晶粒生长的钉扎点。同时，热力学计算揭示了GBS程度与凝固模式转变之间的直接关联：低Cr/Ni比合金中的奥氏体向铁素体( AF )转变，而高Cr/Ni比合金中的铁素体向奥氏体( FA )转变。锯齿指数的量化与铁素体颗粒的钉扎压力有关，并取决于凝固过程中形成的瞬时铁素体的比例。

美国伊利诺伊州伊利诺伊大学作了相关研究，其研究成果以“Functionally graded stainless steels with tailored grain boundary serration”为题，发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004372

图1显示了所有打印材料的EBSD图。构建方向( BD )是垂直于表面的，映射以逆极图( IPF )颜色显示，表明晶体学方向与BD平行。高角度GBs，定义为取向差大于15 °的GBs，在黑色中突出显示。虽然所有材料都表现出柱状晶结构(图1a , c)，但GB形貌在316L中定性地呈现平面状(图1a )，而在304L材料中则呈现明显的波浪状。梯度材料由5个相邻区域组成，304L / 316L比例分别为10 / 90、30 / 70、50 / 50、70 / 30和90 / 10，自下而上沉积。每个区域包含10个沉积层，如图1b所示。图1b显示了用Carpenter试剂腐蚀的功能梯度材料的抛光截面。在单一的一组制造参数下打印的FGM中没有观察到缺陷。熔池从一层到另一层是连续的，在梯度区域之间没有可见的打印不稳定性。从每个梯度区域切取样品以进行更详细的表征。图1c表明，随着304L / 316L比例的增加，GBS定性增加，而晶粒尺寸(见附录。A为晶粒尺寸测量值)没有明显变化。从304L / 316L比例为50 / 50到70 / 30的区域可见GB形态的急剧转变。由直接作用和间接作用测得的Cr、Mo、Ni和Mn含量如图2a所示。正如预期的那样，所有元素在梯度上呈线性变化，随着Cr和Mn的增加而增加，随着304L含量的增加而减少Ni和Mo。

图1.所有打印材料的微观结构。a ) 304L和316L的EBSD图，b )宏观腐蚀的功能梯度样品，c ) FGM中五个区域的EBSD图。所有EBSD图均采用IPF颜色进行编码，编码方向为建图方向，垂直于表面。

图2.打印微结构的统计表征。颜色对应于图1中的不同区域。a )直接作用和间接作用图中Cr，Ni，Mo和Mn的重量分数，b )用Tang等的方法计算的锯齿指数，c )X射线衍射图，d ) δ铁素体的Smith - Zener钉扎压力。x轴上的分数与304L / 316L的比值相对应。

图3.打印合金的亚晶尺度微观组织分析。a ) 10 / 90材料的BSE图像显示取向和相衬，b ) 316L的STEM - HAADF图像和c )相应的TEM - EDS成分剖面显示细胞壁( b中的箭头)处富集Ni、Cr和Mo，d ) 90 / 10材料的BSE图像显示被δ铁素体颗粒钉扎的晶界和与晶界空间相关的胞状结构，e ) 304L的STEM - HAADF图像和f )相应的TEM - EDS成分剖面显示细胞壁( e中的箭头)处富集Cr和贫化Ni。

图4.从thermocalc程序中获得的伪二元Fe Nieq Creq相图，a )用蓝色虚线突出显示凝固模式的相图，b )我们用EDS测量的打印合金的成分与相图重叠。颜色对应于图1中的不同区域。

图5.304L中两个锯齿状晶界周围的EBSD图。a ) IPF着色图与灰阶的质量指数( IQ )图重叠，其中δ颗粒表现为暗特征；B )对应的GND密度图；C )第二个区域的IPF - IQ图；D )白色GB对应的GND密度图。