As a revolutionary industrial technology, additive manufacturing creates objects by adding materials layer by layer and hence can fabricate customized components with an unprecedented degree of freedom. For metallic materials, unique hierarchical microstructures are constructed during additive manufacturing, which endow them with numerous excellent properties. To take full advantage of additive manufacturing, an in-depth understanding of the microstructure evolution mechanism is required. To this end, this review explores the fundamental procedures of additive manufacturing, that is, the formation and binding of melt pools. A comprehensive processing map is proposed that integrates melt pool energy- and geometry-related process parameters together. Based on it, additively manufactured microstructures are developed during and after the solidification of constituent melt pool. The solidification structures are composed of primary columnar grains and fine secondary phases that form along the grain boundaries. The post-solidification structures include submicron scale dislocation cells stemming from internal residual stress and nanoscale precipitates induced by intrinsic heat treatment during cyclic heating of adjacent melt pool. Based on solidification and dislocation theories, the formation mechanisms of the multistage microstructures are thoroughly analyzed, and accordingly, multistage control methods are proposed. In addition, the underlying atomic scale structural features are briefly discussed. Furthermore, microstructure design for additive manufacturing through adjustment of process parameters and alloy composition is addressed to fulfill the great potential of the technique. This review not only builds a solid microstructural framework for metallic materials produced by additive manufacturing but also provides a promising guideline to adjust their mechanical properties.

With the introduction of a fourth dimension, time, into 3D printing, 4D printing enables unparalleled control over spatial and temporal aspects of 3D products in respond to external stimuli. However, the recovery performance of the 4D printed shape memory alloys still falls short of expectations. In this study, a novel high entropy shape memory alloy (HESMEA) was developed using in-situ alloying laser powder bed fusion (LPBF) by introducing a moderate amount of silicon (10% atomic percent) to a metastable Fe50Mn30Co10Cr10 matrix. Multi-remelting strategy was employed to improve the chemical homogeneity of the printed HESMA with enhanced diffusion occurring during the remelt scan. The 3-remelting HESMA exhibited a near uniform chemical distribution, showcasing an excellent combination of shape memory performance and mechanical properties, with an admirable recoverable strain of 5.2% and a high yield strength of about 500 MPa. It was found that the high recovery strain was attributed to low stacking fault energy of the HESMA matrix, while combination of refined grain size, high density dislocations and nano precipitation contributed to high yield strength of the HESMA. Overall, the solid solution matrix and hierarchical strengthening characteristics of the newly developed HESMA makes it particularly suitable for 4D printing with excellent comprehensive properties.