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原子探针断层扫描技术在激光增材制造样品复杂微观结构中的应用

DOI：10.1017/s1431927619013308 期刊：Microscopy and Microanalysis 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 增材制造（AM）技术已在从生物医学到航空航天等多个工业领域获得日益广泛的关注。该技术不仅用于原型制作，还应用于模具制造及最终零部件生产。这种计算机控制的逐层堆叠工艺提供了更大的设计自由度，几乎能够制造任何形状的部件。其额外优势包括潜在的资源效率提升、产品定制化程度提高以及轻量化设计。两种主流的金属激光增材制造（LAM）技术是激光粉末床熔融（LPBF）和激光金属沉积（LMD）。在LPBF工艺中，聚焦激光束扫描填充金属粉末的粉床，局部熔化并融合粉末以制造全致密金属部件，随后铺展新粉层并再次进行激光扫描。LMD则是基于喷嘴的增材制造工艺，通过聚焦激光束在构建表面形成熔池，再经喷嘴向熔池注入金属粉末，通过喷嘴/激光组件逐道次、逐层向前移动来构建三维部件。 LAM制造的金属材料具有独特的热历史：材料最初在熔池中从液态快速冷却，随后在LAM过程中因相邻轨迹及后续层沉积而经历循环再加热（即所谓本征热处理IHT）。这种热历史导致的后果极为复杂，有时会形成从纳米到毫米尺度存在不均匀性的层级微观结构。要全面理解和表征这些微观结构极具挑战性，需要综合运用从光学显微镜（LOM）到电子显微镜直至原子探针断层扫描（APT）等覆盖相似尺度范围的技术手段。本文通过实例展示APT如何提供复杂微观结构的关键信息，以深入理解不同金属合金中的本征热处理、快速凝固及相分离现象，具体包括钢、铝/镍基高温合金以及高熵合金（HEA）的案例分析。
作者： Philipp Kürnsteiner，Avinash Hariharan，Hyo Yun Jung，Nicolas Peter，Markus Benjamin Wilms，Andreas Weisheit，Pere Barriobero-Vila，Baptiste Gault，Dierk Raabe，Eric Aimé J?gle
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为展示原子探针断层扫描技术（APT）如何为激光增材制造（LAM）工艺产生的复杂微观结构提供重要见解，包括各种金属合金中的本征热处理（IHT）、快速凝固和相分离。

研究成果

APT已被证明是研究金属增材制造样品的极其强大的技术，尤其是与其他方法（如LOM、SEM、HEXRD和STEM）结合使用时。这种组合能够全面理解LAM工艺产生的复杂微观结构，包括IHT、快速凝固和相分离的影响。这些发现为设计专为LAM工艺定制的合金以及直接合成纳米结构材料开辟了新机遇。

研究不足

本研究仅限于分析激光增材制造技术（特别是LPBF和LMD）生产的金属合金。微观结构的复杂性以及从纳米到毫米的尺度范围给这些材料的全面表征带来了挑战。

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