长江三角洲G60激光联盟领先
研究了用高斯(圆形)和椭圆(横向和纵向)激光束形状对316 L不锈钢进行单轨激光粉末地面融合加工过程中由柱状到等轴微观结构的变化。 证明了成核事件产生的等轴晶粒的倾向与椭圆横向激光束提供的大光束宽度相关。 本文是第一部分。
摘要
增材制造( AM )有望通过局部微观结构来控制具有定制机械性能的复杂部件的生产，从而从根本上改变制造业。 主要挑战是控制或预防AM部件中普遍存在的柱状(细长)生长形态。 这里阐明了用激光束整形策略促进有利的等轴晶粒微观结构调控的机制。 这需要准确的热轮廓，必须使用全激光光线跟踪、超高速流体动力熔体流动、晶粒生长的元胞自动机方法相结合的先进预测模拟才能捕获。
采用高斯(圆形)和椭圆(横向和纵向)激光束形状，研究了对316 L不锈钢进行单轨激光粉末地面融合加工过程中柱状向等轴微观结构的变化。 证明了成核事件产生的等轴晶粒的倾向与椭圆横向激光束提供的大光束宽度相关。 此外，揭示了过渡状态下不同微观结构的演化机制。 预计对局部波束成形物理学用于这种微观结构控制的基本理解将影响未来复杂的波束形状设计和波束调制。
图表概述
1介绍
增材制造( AM )，也称为3D打印，是逐层制作三维实体物体的过程。 长期以来，AM被认为是彻底改变制造业的技术，能够快速制造出具有复杂定制几何形状的物体，这些物体无法用其他方法轻松经济地生产。 粉末激光床熔融( L-PBF )是直接金属AM最常用的工艺。 AM L-PBF社区确定了控制特定场所微观结构以生产具有定制机械性能的零件的新的挑战性目标。 更重要的是，通过了解和控制印刷微结构的演变，最终可以定制组件的微观结构，以实现传统加工无法实现的特性组合。
QC环境的示意图。
上图显示了QC环境的高级元素。 在技术引进的初期，行业通常必须完全依赖内部专有材料和技术规范进行内部认证工作和监管机构的认证。 这种内部文档的开发通常是冗长且昂贵的。 通过SDO制定相应的规范和标准，公司可以在内部文件和外部文件之间进行选择。 一般来说，使用业界公认的外部规范和标准可以简化监管机构的工作，通过“公平的竞争环境”实现提高安全，并为AM等新技术的关键要素确立整个行业的最低可接受要求。 例如，对使用该技术感兴趣，但没有足够资源来制定完整的内部规范和标准的中小型企业可以使用外部文档进行强大的问答； amp； a可以实现过程。
重要的微结构特征，即晶粒尺寸、凝固形态(如平面、蜂窝状、树枝状)和增材金属零件的晶体纹理，对强度和延性等机械性能有很大影响。 柱状晶粒和等轴晶粒通常在由铁基、镍基、钛基合金组成部件的凝固区域观察到。 前者通常较粗，而后者通常较小。 大柱状晶粒可用于制造提高耐蠕变性、或用于特定APP的强结构和各向异性。 另一方面，除了强化空穴页面之外，还可以利用提高表面附近的疲劳寿命和晶界裂纹扩展耐性小的等轴晶粒。 因此，通过控制柱状和等轴晶粒的相对体积分数及其加工过程中的空间分布，可以实现增材制造金属部件的工地特定特性。
在Al 7475基板上堆积的Al-11.28 Si的DED-L制作的样品的纵向平面上显示出了竞争性的生长。
除了上述扫描策略外，空间和时间激光束强度调制可以为特定位置的晶粒结构控制提供自由度。 激光束的强度分布，即光束形状，可以使用变形棱镜对或用于细微结构控制的双光束偏振光合成器等简单的光学元件局部定制。
随着最近电子束和激光增材制造的努力，定制微结构的预参数选择的最终目标迫在眉睫。 特定部位的微观结构控制有很多实际应用，例如通过对表面或应力集中特性应用有意的纹理，制造提高零件的疲劳寿命和具有功能分类机械性能的零件等。 2014年，Krner等人研究了铬镍铁合金拉伸样品中每10层不同“交叉蛇”的扫描模式及各层的影响。 作者发现，凝固主要发生在建筑方向时，会形成柱状晶粒；凝固方向变化频繁时，会形成等轴晶粒。
2015年，Dehoff等人通过开发铬镍铁合金718块中被柱状粒子包围的高度取向等轴晶粒证明了局部微观结构控制。 研究人员在点热源和线热源之间快速切换，以操纵局部热梯度和固/液( s/l )界面速度。 在激光增材制造中，通过使用与多个激光源不同的扫描策略，改变高达1000 W的激光功率[3]，还证明了几种微观结构控制。
( a ) C-S，( b ) LE-S，( c ) TE-S基于轮廓的熔融轨迹的纵剖视图。 激光扫描在正x方向进行。
本工作的目的是阐明通过激光束整形控制重要凝固微观结构特征的主要物理机制，如形貌(如等轴和柱状)、尺寸和晶体学纹理。 由于L-PBF是一个非常过渡和局部的过程，加上多种复杂的物理效应，即熔池中剧烈的流体流动、蒸发、快速凝固和热循环等这些影响，提供了具有挑战性的优化问题，仍然能够准确捕获动态演化的凝固微观结构，实现我们的方法采用结合元胞自动机( CA )的高保真粉末尺度模型进行成核和晶粒生长。 该模型利用激光光线跟踪描述了沿动态变化的熔池表面的激光-材料相互作用，模拟了任意光束形状的准确热截面(图1(a(-b ) )。
图316 L综合建模框架示意图，研究激光束强度分布，即光束形状对不锈钢单轨激光粉末床熔化AM过程中形成的凝固晶粒结构的影响。
2 .建模框架
2.1 .模拟ale3d瞬态温度场和熔池几何形状
通过求解质量、动量和能量守恒方程，得到了SS-316 L单轨L-PBF过程中的三维瞬态温度场和熔池动力学。 这是通过使用劳伦斯利弗莫尔国立研究所利用任意拉格朗日欧拉技术开发的多物理场数值软件工具ALE3D码实现的。 代码使用混合有限元( FE )和非结构化网格上的有限体积公式处理三维模型。
提高物理保真度，显著改变传热、熔池深度和流量。 模拟颜色对应于上限为4000K的温度标度，蓝色为293K。 红色等高线是熔化线。 粉末向右移动(速度1 m/s )的激光)功率150 W )照射10 s。 熔融轨迹显示了3D模拟的2D切片(激光功率200 W，扫描速度1.5 m/s ) )、改良的物理建模对熔池的影响。
2.2 .凝固晶粒结构的元胞自动机( CA )模拟
CA方法不是模拟树枝状模式的复杂进展(如树枝状树干和手臂网络)，而是用简化的成核和生长动力学规律模拟各树枝晶粒外层复盖的发育。 面心立方晶体凝固呈树枝状生长形态，树干和手臂沿100个晶体方向排列。 因此，树枝状粒子的外包络可以用3D八面体( 2D中的正方形)表示，其主要半对角线由100个方向定义，中心位于CA单元的中心。
利用DREAM.3D和实验测量，将初始基质晶粒结构提供给CA模型。 首先，使用EBSD表征基材中的晶粒结构，包括晶粒尺寸及其分布和结晶学纹理(参见图2 )。 该微观结构的统计量成为DREAM的输入。 3D在基材中生成统计上等效的合成晶粒结构。 如图3所示，微观结构的统计数据被很好地再现了。 (有关使用DREAM.3D生成晶粒结构的详细信息，请参阅补充资料。
图2通过实验，测定了316 L不锈钢样品基板中的晶粒结构。
用图DREAM.3D生成的基材中统计上等价的晶粒结构。
3 .结果
研究了316L-SS单激光轨迹L-PBF工艺中凝固晶粒结构的发展，确定了所形成晶粒结构的重要特征及其对激光束形状的依赖性。 可能的激光功率和扫描速度分别为300 W和1.8 m/s。 凝固的晶粒有两种不同的形态：大的柱状晶粒和细的等轴晶粒。 前者是由母体晶粒在熔池边界的外延生长引起的，后者是在柱状晶粒之前在液体中新形成核的晶粒。 我们的方法是研究所得凝固晶粒结构对有核和无核激光束形状的依赖性。
3.1 .作为晶粒结构演化(由不能成核的外延晶粒生长引起的)激光束形状的函数
3.1.1 .圆形高斯( CG )剖面在激光束下的凝固晶粒生长
单轨L-PBF工艺中的晶粒结构的进展在水平X-Y切片、纵向X-Z切片、横向切片的3个剖面上得到证明(用图4(a )中的垂直虚线表示)。
图4 316L-SS单轨L-PBF AM期间晶粒结构的发展(
a，c，e
()水平切片为8 m基板表面以下，) ) )。
b，d，f
()纵向切片，(
g-j
)横向切片X=350m，激光束强度分布：圆高斯( CG )。 原基材中以前的晶粒被涂成浅蓝色，对应的晶界( GBs )被涂成黑色。 融合区域成核生成的新晶粒用IPF配色方案着色，对应的GB，即新的GB用深红色着色。 液体细胞及其边界用红色表示熔池边界。 蒸汽，即空隙填充的细胞及其边界呈浅绿色。 弯曲的白色虚线表示融合边界。
熔池几何形状的时间变化显著影响凝固晶粒结构的发展(形态和生长方向)。 根据熔融边界(定义为未熔融金属与熔融金属的边界，用虚线曲线表示)和熔池边界底部的3个不同横截面上的相对位置，可知熔池通过部分熔融的等轴基底粒子的外延生长而凝固(图4(a )、( b )、( g ) ) ) 这些晶粒的外延生长从融合边界开始，随着激光轨迹的发展向熔池的中心前进。 结果，这些颗粒变得细长，呈柱状形态。 由于柱状晶粒的生长方向看起来与移动的凝固前缘垂直，因此在其移动过程中根据熔池后缘的局部位置动态地变化(参照图4(c )、( d )、( h ) )。
之所以出现这样生长行为，是因为晶粒的凝固方向有与最大热流方向相反的倾向，最大热流方向与熔池的凝固界面，即熔池的后缘的边界垂直[ 16，32 ]。 另外，具有随机取向晶粒的多晶材料通常不满足该条件； 但是，由于平均晶粒的尺寸远远小于熔池的尺寸，竞争性生长迅速选择容易生长的方向，即面心材料为100的方向与固液界面的最大热流方向紧密一致的晶粒[9]。 在熔池渐进运动过程中，早期形成的柱状晶粒的外延生长伴随着活化(无势垒)和部分熔融晶粒的外延生长(图4(e )、( f )、( I ) )。 熔池的尺寸和形状(或局部曲率)以及由此产生的凝固晶粒结构随着激光扫描的进行而动态地变化方向。 例如，凝固粒子的生长以沿着熔池的尾边进行弯曲的形状进行(图4(e ) )。
由于熔池沿扫描方向延伸，熔池边界的曲率在横向截面上显著高于中心纵向截面的曲率。 因此，横截面晶粒看起来向熔池的顶部中心沿径向生长(图4(g((j ) )。 相反，在纵向横截面中，由于熔池的边界相对平坦，所以产生大致垂直取向的细长的晶粒(图4(f〕 ) )。
3.1.2 .激光束形状对熔池几何形状的影响
3.1.1节表明，单轨L-PBF过程中高度局部化的凝固过程受移动熔池瞬态几何特征约束。 通过详细比较不同激光束形状熔池的几何特征，发现熔池形态对激光束形状敏感，在图5中通过不同光束形状熔池的可视化表示。 不同截面中融合边界的位置和空间可变局部曲率反映了所用激光束的形状。 从三个不同的横截面中可以看出，由TE波束生成的熔池比CG波束以其他相同的加工参数生成的对应物更浅(沿构建方向，图5 ( d )和( b ) )，更短(沿扫描方向，图5 ( c ) ) 与此相对，基于LE光束熔池比基于CG光束的熔池深(沿着构筑方向，图5(f )和( b ) )、长(沿着扫描方向，图5(f )和( a ) )、窄(沿着横向，图5 )
图53种不同激光束形状下熔池几何形状的比较。
除了三种不同横截面显示的熔池尺寸的差异外，熔池的局部曲率及其空间变化还取决于激光束的形状。 TE梁生成的比较浅且宽的熔池底部大致为水平方向(图5(d ) )。 与此相比，基于LE束的比较深且狭窄的熔池的特征是熔池的后缘有明显的空间可变曲率(图5(f ) )。 CG光束使TE和LE光束形成的熔池之间产生中间熔池形状(图5(b ) )。
3.1.3 .激光束形状对得到的凝固晶粒结构的影响
给出了单一轨道的结果，对于所有3个不同的光束形状，在融合区域内观察到了不均匀的异质晶粒结构，存在于完全的构筑中。 各二维截面中的凝固晶粒结构似乎由柱状和“等轴”晶粒的混合物构成。 但是，柱状和"等轴"晶粒的数密度、尺寸、空间分布和相对体积分数随束形状而显著变化(图6、7 ) .
图6水平( a-c )和横向( d-f )截面中的凝固晶粒结构作为激光束形状的函数.
图7是不同束流形状下中心纵剖面和相应晶体组织的凝固晶粒结构。
对于研究的所有光束形状，融合边界附近的晶粒结构(如曲线虚线所示)由细长柱状晶粒主导，如所有3个横截面所示。 例如，如横截面所示，(图6 ( d ( ( d ) ( f ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )这些晶粒(脱离融合边界) 652是诈骗由于此前在模拟中成核无效，这些等轴状晶粒实际上是柱状晶粒，从面外位置产生，一直延伸到测量平面。 因此，水平截面，即柱状和“等轴”晶粒混合物中晶粒结构的空间不均匀性与其他两个截面的晶粒结构的发展密切相关，后者也随激光束的形状变化很大。
熔体流动速率时间的快照显示飞溅和烧蚀。
另一方面，相对宽的TE束与其他2种束形状(图6(d )和( f ) )相比，使更多的部分熔融晶粒活化，在构筑方向上外延生长(图6(d ) )。 另一方面，由于TE梁下熔池的几何形状相对平坦，所以活化晶粒间的外延生长相对独立(即平行)。 相反，在CG和LE梁下，横截面的晶粒容易被在其侧面发展的其他晶粒中断。 因此，在TE梁下，从熔池底部发育更多的晶粒，向构筑方向延伸一定的距离，通过测量水平面进行切片，表现为在熔合区中心通过成核和生长形成的等轴晶粒。
在大多数情况下，侧粒子完全熔融，被困在过渡区域的流动中。 原因是液体在凹陷的边缘循环，类似于泪滴。 在传统焊接中观察到了这种图案。 其中，流动在红( Vy 0 )和蓝( Vy 0 )之间交替两次包围凹陷的边缘。 一次在凹坑前指示远离激光光斑的运动，最后指示流体从侧面进入并连接形成过渡区域。 这个圆运动的直径比熔融轨道的宽度宽。
由于基板中只有一部分晶粒受到单一激光轨迹的影响，因此只观察了经过部分熔融和外延生长的晶粒。 晶粒结构(受轨道影响的( 001 )极图分别如图8(a )、( b )、( c )所示，分别显示了CG、TE、LE束。 很明显，根据光束形状的不同，具有最大强度的极(极图中的红色斑点)的位置发生了很大的变化，显示出对得到的晶粒结构的影响。
图8(a-c )用不同激光束形状受熔池影响的晶粒，即晶粒部分熔融时发生外延生长的结晶组织() (用极图表示) )。
竣工的pbf(EBM ) Ti-6Al-4V样品的大面积EBSD显示了裂纹扩展和晶粒的重建。
工艺引起的AM缺陷和微观结构变化/变化会影响拉伸和韧性性能。 但这些缺陷、表面粗糙度和残余应力主导循环行为，掩盖微观结构效应，提供有效的疲劳起始点和叠加的有害残余应力，会显著降低高频疲劳性能。
KobrynSemiatin在LENS加工，即DED中，ti6al 4v表现出超过铸造性能的HCF行为，在铸造HIP和锻造退火ti6al 4v中，还表现出方向依赖性疲劳寿命。 在更近的工作中，在LENS加工的Ti-6Al-4V中记录了缺陷主导的疲劳行为，萌发了表面裂纹和表面未熔融粒子的断裂、以及未熔融粒子的二次表面疲劳。 与萌生散装未熔融粒子的二次表面裂纹相比，表面未熔融粒子的疲劳寿命缩短了一个数量级。 但通过优化LENS工艺参数，在沉积和模拟修复条件下均可能出现锻造、退火超过Ti-6Al-4V下限，处于铸造HIP材料上限区域的疲劳寿命。
资料来源： microstructuralcontrolinmetallaserpowderbedfusionadditivemanufacturingusinglaserbeamshapingstrategy，Acta Materialia，DOI
参考文献： Scientific，technologicalandeconomicissuesinmetalprintingandtheirsolutions，NAT.mater .2023； 3 dprintingandadditivemanufacturingstateoftheindustry，Wohlers Associates，Fort Collins，2023 . progresstowardsmetaladditivemanufacturingstandardizationtosupportqualificationandcertification，JOM，69(3) 2023，PP
长江三角洲G60激光联盟陈长军转载
