通过热电磁效应实现激光增材制造锌材料的近各向同性强度和延展性，这一过程伴随着柱状晶粒向等轴晶粒的转变

《Journal of Materiomics》：Achieving near-isotropic strength and ductility in laser additively manufactured zinc via columnar-to-equiaxed grain transition under thermoelectric magnetic effect

激光粉末床熔融（LPBF）制备锌材料中，静态磁场（SMF）通过热电磁效应调控晶粒结构，促进等轴晶转变（CET）和细化晶粒，显著降低屈服强度和延展性各向异性指数（从18.63%和16.49%降至2.46%和2.58%），同时保持优异强韧性协同。近各向同性力学性能源于晶界与位错协同强化机制，以及基面a滑移与棱角c+a滑移的平衡作用。该成果为生物医学植入物提供了一种新型晶粒调控策略。

　　本研究探索了在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，利用静态磁场（SMF）产生的热电磁效应调控锌（Zn）材料晶粒特性的可能性。这项工作首次将SMF引入到Zn材料的制造中，旨在减少打印Zn材料的机械各向异性，同时保持其优异的延展性。通过建立一个整合SMF影响的物理模型，对Zn熔池在LPBF过程中的凝固行为进行了模拟。研究结果表明，SMF产生的热电磁力可以达到10^6 N/m^3的量级，这种力能够有效破坏Zn材料中原本规则的柱状树枝晶结构，提高异质形核效率，从而促进柱状到等轴晶的转变（CET）以及晶粒细化。与未使用SMF辅助的样品相比，使用SMF辅助打印的Zn材料在屈服强度和延展率方面的机械各向异性指数分别从18.63%和16.49%显著降低至2.46%和2.58%。同时，Zn材料的强度-延展性协同效应得到了良好保留，展现出接近各向同性的机械性能。

锌作为一种具有生物可降解特性的金属材料，近年来在生物医学领域引起了广泛关注。其独特的生物相容性、良好的骨传导性能以及适中的降解速率使其成为一种理想的植入材料。然而，锌材料在LPBF制造过程中面临的一个主要挑战是其显著的机械各向异性。这主要是由于LPBF过程中的高冷却速率（可达10^8 K/s）和陡峭的温度梯度（10^5–10^7 K/m）所导致的。这些条件通常促使形成长度可达数百微米的柱状晶，从而在不同方向上表现出不一致的机械性能。这种各向异性不仅影响材料的力学行为，还可能对临床应用构成潜在障碍，因为它可能导致植入物在负载作用下发生非均匀变形。

为了克服这一问题，调控晶粒形态以促进CET成为一种广泛采用的方法。CET能够显著降低材料的机械各向异性，同时优化强度与延展性的平衡。根据经典凝固理论，晶粒演变主要受到温度梯度（G）、凝固速率（R）以及成分过冷（ΔTcs）的协同影响。较低的G/R比值和较高的ΔTcs通常有利于等轴晶的形成。因此，通过调整LPBF工艺参数，优化熔池内的G/R比值，或引入强效形核剂以提高ΔTcs，成为促进CET行为的有效策略。例如，Li等人通过改变激光扫描速度，在IN738LC合金的凝固过程中实现了CET，从而将机械各向异性降低至2%。Wang等人则通过在纯钛中引入镍和硼元素，成功地将柱状β晶转变为等轴晶，显著降低了强度和延展性的各向异性。

然而，对于LPBF制造的锌材料而言，通过调节工艺参数来细化柱状晶存在较大难度。这是由于锌的加工窗口较窄，容易发生蒸发现象。此外，寻找一种稳定且有效的形核粒子也颇具挑战性。虽然研究表明镁、铜或锂等溶质元素可以有效防止取向生长，但CET效应高度依赖于元素含量。为了确保足够比例的等轴晶形成，必须添加一定量的溶质元素，这往往会引发脆性析出相的形成，从而导致延展性显著下降。因此，实现CET行为而不依赖于形核剂，以达到可接受的微观结构各向异性和优异的延展性之间的最佳平衡，成为临床应用中的优选方案。

近年来，外部场（如超声波、磁场和热场）在激光增材制造中的应用，为开发具有接近各向同性机械性能的高性能合金提供了新的策略。这些外部场能够在不改变材料成分的前提下，精确控制晶粒生长行为。例如，Chen等人在LPBF制造的GH4099镍基高温合金的凝固过程中引入了SMF，结果表明热电磁效应促进了CET过程并细化了晶粒，从而显著降低了不同方向上的机械各向异性。同样，Zhao等人研究了SMF对激光增材制造的Ti6Al4V合金微观结构和机械性能的影响，发现施加0.55 T的磁场能够细化粗大的柱状β晶，有效缓解机械各向异性。这些晶粒结构的改变与热电磁力（TEMF）密切相关，该力能够破坏柱状树枝晶的形成，促进等轴晶的形核。

基于上述研究背景，本研究首次将SMF引入到LPBF制造的纯锌材料中，以解决其长期存在的机械各向异性问题。通过系统地分析SMF对纯锌材料晶粒结构和机械性能的影响，重点探讨了与热电磁效应相关的CET行为及其机制。研究不仅关注了晶粒结构的变化，还对材料的力学性能各向异性进行了全面评估，结合晶粒特征、位错特征以及滑移系统的激活情况。此外，还开发了一个三维多相计算流体力学（CFD）模型，用于揭示SMF辅助下熔池动力学的变化，包括温度梯度、冷却速率、凝固速率以及热电磁力的分布情况。通过深入研究多种强化机制，建立了机械性能各向异性与微观结构特征之间的定量关系。这些研究成果为开发具有接近各向同性机械性能的高性能锌基植入材料提供了重要的理论支持，有助于推动锌基材料在生物医学领域的应用。