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Melting and solidification dynamics during laser melting of reaction-based metal matrix composites uncovered by in-situ synchrotron X-ray diffraction

材料科学 同步加速器 原位 衍射 复合材料 X射线晶体学 激光器 基质(化学分析) 金属 同步辐射 冶金 光学 物理 气象学
作者
Minglei Qu,Jiandong Yuan,Ali Nabaa,Junye Huang,Andrew Chihpin Chuang,Lianyi Chen
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:271: 119875-119875 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.119875
摘要

Laser additive manufacturing (AM) of reaction-based metal matrix composites (MMCs) involves highly complex and non-equilibrium material transformation behavior, including melting, dissolution, precipitation, and solidification. Yet, the dynamics and interplay of these phase transformation processes remain poorly understood, posing substantial challenges in identifying the microstructure formation mechanism, and predicting and controlling the microstructure in the printed parts. Here we performed the in-situ X-ray diffraction experiment to characterize the phase evolution dynamics of the 316L+10vol.%TiC system during laser melting, which provides the direct and quantitative insights of the complex phase reaction and evolution dynamics under rapid heating and cooling conditions relevant to additive manufacturing of reaction-based MMCs. Further in-depth thermodynamic and kinetic calculations revealed that most of the phase evolution behavior observed in the in-situ X-ray diffraction experiment cannot be solely explained by widely used equilibrium thermodynamic models, and diffusion-controlled nonequilibrium dissolution and precipitation kinetics must be considered to elucidate the complex phase evolution behavior, including incomplete TiC dissolution, and three-step TiC precipitation. The three distinct types of precipitates generate unique hierarchical TiC micro- and nanostructures, which enhances the yield strength from 513 MPa to 877 MPa by 71%, tensile strength from 628 MPa to 1054 MPa by 68%, Young's modulus from 193 GPa to 221 GPa by 14%. The findings of our research provide the knowledge foundation for the design of unique microstructures and advanced MMC materials through laser AM.
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