頂刊《Acta Mater》，改變激光光斑時(shí)空分布來定制3D打印組織和性能！

來源：激光天地


導(dǎo)讀：來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種通過激光光斑的時(shí)空調(diào)制來實(shí)現(xiàn)打印材料的顯微組織和性能的個(gè)性化定制。從而為3D開創(chuàng)了一個(gè)新紀(jì)元，本文為大家簡(jiǎn)要揭示一下這一重要進(jìn)展。

眾所周知，3D打印可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更自由、制造更簡(jiǎn)單。相比較于傳統(tǒng)制造，可以實(shí)現(xiàn)私人訂制。但對(duì)其組織和性能的個(gè)性化定制卻鮮有人提及。來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究表明，不同形狀的光斑形貌對(duì)于凝固組織的生長(zhǎng)和微觀組織的形成有極大影響，這有利于增材制造過程中更好的控制等軸晶的形成。相關(guān)論文以題為“Microstructuralcontrol in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy”于2月1日發(fā)表在金屬材料頂級(jí)刊物 Acta Materialia。論文部分截圖如下：

論文摘要：增材制造（俗稱3D打�。�，毫無疑問是一項(xiàng)具有革命顛覆性的制造技術(shù)。該技術(shù)通過控制局部區(qū)域的顯微組織，可以制造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊性能的制品。在增材制造過程中面臨的最大挑戰(zhàn)就是控制或者說預(yù)防柱狀晶組織的形成。但比較遺憾的是，柱狀晶的形成在增材制造過程中是易于形成的顯微組織。為此，本文闡述了控制顯微組織的控制機(jī)理以及如何通過光斑時(shí)空整形技術(shù)來控制和促進(jìn)等軸晶的生成。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要精確的控制熱流分布。熱流分布的準(zhǔn)確獲得要靠先進(jìn)的熱預(yù)測(cè)管理技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)耦合了全激光光斑追蹤技術(shù)、超快熔體的流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)和晶胞形核的自發(fā)形成控制技術(shù)等技術(shù)。我們研究了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，這一研究基于粉末床激光3D打印316L來進(jìn)行演示。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用單道來研究的。激光光斑采用了高斯圓形和橢圓形（橫軸和縱軸都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)）光斑。我們發(fā)現(xiàn)等軸晶的形核傾向同光斑寬度密切相關(guān)。而且，我們還揭示了在瞬態(tài)條件下（激光掃描開始和激光掃描結(jié)束時(shí)）顯微組織的演變機(jī)理。柱狀晶在激光開始發(fā)生作用時(shí)很難避免。我們認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解局部區(qū)域激光光斑變化對(duì)顯微組織的控制以及將來如何設(shè)計(jì)復(fù)雜的光斑形狀和光束整形調(diào)制具有十分重要的意義。

△論文全文概況示意圖

增材制造（俗稱3D打�。�，是一種通過層層堆積形成三維物體的一種變革性制造技術(shù)。該技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)不能或者很難或者容易制造但成本高昂的三維實(shí)體和定制化的產(chǎn)品。粉末床式激光3D打印是最為常見的打印技術(shù)。但打印時(shí)面臨的一個(gè)最大的問題就是如何控制顯微組織以形成特定需求目標(biāo)的特定組織和特殊性能。更為重要的就是理解和控制打印產(chǎn)品的顯微組織，從而獲得采用傳統(tǒng)工藝不可能獲得的特定組織和特定的服役性能。

△粉末床激光單道打印316L時(shí)晶粒的演變

△在熔化區(qū)域形核時(shí)晶粒在空間分布時(shí)的強(qiáng)度數(shù)

顯微組織的特定特征，主要是指晶粒尺寸、凝固形貌（平面晶、胞狀晶、枝晶、等軸晶等）以及晶體結(jié)構(gòu)（如BCC、FCC、hcp）顯著的影響著制品的機(jī)械性能，如強(qiáng)度和塑性等。柱狀晶和等軸晶是在增材制造鐵基、鎳基和鈦合金時(shí)最易生成的組織。柱狀晶較粗大而等軸晶較為細(xì)小。粗大的柱狀晶可以用來提高制品的抗蠕變性能或用來制造需要滿足特定性能所需要的織構(gòu)和各向異性材料。另外一方面，除了Hall-Petch關(guān)系式的作用之外，等軸晶可用來提高表面的抗疲勞能力和發(fā)生斷裂裂紋的阻力。因此，工程上所需要的特定性能可以通過控制柱狀晶和等軸晶的比例來實(shí)現(xiàn)�？刂频氖侄尉褪亲尲す饽芰吭跁r(shí)間和空間上合理的分布來控制熱流分布，使得熱溫度梯度和凝固速率在我們預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。特定晶粒的生成可通過合理控制工藝參數(shù)而獲得特定的凝固參數(shù)。

△時(shí)間為23毫秒時(shí)優(yōu)先形核時(shí)空間分布的分析

眾所周知，已經(jīng)有很多研究者研究過通過改變激光掃描策略而實(shí)現(xiàn)了不同的凝固組織。除了激光掃描策略會(huì)對(duì)凝固組織產(chǎn)生影響之外，激光光斑在空間-時(shí)間上的強(qiáng)度調(diào)制也對(duì)形成特定的顯微組織，進(jìn)而獲得特定的服役性能密切相關(guān)。本文的研究正是基于這一原理而開展的。

△激光光斑變化時(shí)激光熔池的變化

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645419307931

論文文獻(xiàn)信息：Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy，Acta Materialia，Volume 184, 1 February 2020, Pages 284-305，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053