《Acta Materialia》：3D打印鋼鐵部件時時間-空間的硬度變化

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自賓夕法尼亞大學(xué)的研究學(xué)者采用熱循環(huán)計算和Johnson-Mehl-Avrami 動力學(xué)的關(guān)系的關(guān)系可以預(yù)測在不同的工藝參數(shù)組合下激光直接沉積H13工具鋼部件不同位置的硬度,其預(yù)測結(jié)果童實際測量結(jié)果相吻合,同時還成果有望推廣應(yīng)用到其他商業(yè)合金上。

成果簡介
幾個關(guān)鍵的工業(yè)路徑來制造復(fù)雜形狀的部件，最為有優(yōu)勢的是金屬打印技術(shù)，但該技術(shù)持續(xù)增長的應(yīng)用需要對部件的顯微組織和性能進行很好的控制。許多工業(yè)參數(shù)都會隨著熱循環(huán)的變化造成的空間熱分布的變化而影響著部件的顯微組織和性能。在這里，我們?yōu)榇蠹艺故玖斯ぞ咪摬考�在不同部位的硬度的演化，采用計算熱循環(huán)的辦法和Johnson-Mehl-Avrami 動力學(xué)的關(guān)系來評估。計算得到的硬度同不同工藝參數(shù)條件下實驗測量得到的硬度是相吻合的。在特定的位置，硬度隨著熱循環(huán)的增加而持續(xù)下降。部件底部的層在沉積上部層的時候經(jīng)受著持續(xù)的熱循環(huán)，其硬度隨著距離頂部的高度較遠而硬度降低。激光功率高和掃描速度慢時造成的高的熱輸入會導(dǎo)致冷卻速率低，溫度高，這更加有利于馬氏體的時效，從而的造成較低的硬度。由于提出的模型可以預(yù)測工藝參數(shù)變化時空間硬度的變化，該項工作可以作為一些增材制造部件時的定制硬度的工作基礎(chǔ)。

圖1. 成果的Graphical abstract

研究背景
在能量直接沉積過程中，獨特的三維金屬部件可以非常常規(guī)的通過激光或電子束依據(jù)電子數(shù)據(jù)文件熔化輸送的粉末進行凝固，層層堆積而形成預(yù)設(shè)的部件，直接能量沉積增材制造技術(shù)廣泛的應(yīng)用在航空航天，醫(yī)療和其他工業(yè)中。該技術(shù)應(yīng)用的一個巨大的挑戰(zhàn)在于需要控制金屬部件的顯微組織和性能。盡管金屬部件的工藝參數(shù)-顯微組織-性能之間的關(guān)系被廣泛的進行研究，仍然沒有直接的辦法來很好的理解AM（增材制造）制造部件的顯微組織和性能的演化并進而實現(xiàn)控制。大量的參數(shù)變化，高度的瞬時溫度場，空間變化的熱循環(huán)以及熔池中的液相合金的運動均會影響凝固的模式和顯微組織以及性能的演化。此外，當(dāng)金屬層沉積的時候，前一已經(jīng)沉積層會被加熱和冷卻，這樣前一沉積層的顯微組織和性能就會發(fā)生變化。理解工藝參數(shù)變化，如激光功率和掃描速度的變化對部件顯微組織和性能的演化至關(guān)重要，這是因為它影響著制造部件的性能。

顯微組織的演化在熔化焊中使用功能強大的X射線同步輻射技術(shù)來研究了其相變的演化。這些研究結(jié)果提供了實驗條件下的晶體結(jié)構(gòu)的變化，但并不能直接提供機械性能演化的直接數(shù)據(jù)。曾經(jīng)有人嘗試測量激光DED過程中諸如空間硬度和空間機械性能的變化。沿著打印部件高度方向變化的硬度的顯著變化是由于打印部件的顯微組織的巨大變化造成的。然而，這些研究結(jié)果并不能揭示沉積過程中的硬度的變化。幾個動力學(xué)模型被用來預(yù)測馬氏體形成的動力學(xué)和時效馬氏體的相變。例如，在應(yīng)用熔化焊雙相不銹鋼的時候，硬度的變化采用Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎(chǔ)的模型來預(yù)測碳化物的孕育和生長機理。馬氏體時效動力學(xué)模型被用來預(yù)測在多道焊接鐵素體-馬氏體鋼時的硬度的變化。在增材制造過程中，基于Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎(chǔ)的動力學(xué)模型和顆粒粗化模型被用來解釋硬度的時間演化。這些基于熱循環(huán)的辦法監(jiān)控是在AM制造過程中進行實施。然而，實驗確定的熱循環(huán)在一個部件的所有位置進行時是不可能的。此外，快速移動的微小的熱源來打印部件使得溫度的測量成為一個非常困難的任務(wù)。一個很好的辦法是在復(fù)雜的熱循環(huán)的過程中進行模擬來依據(jù)消耗的能量，動量，質(zhì)量以及顯微組織和性能的變化來依據(jù)計算得到的熱循環(huán)來確定。這些計算需要離散化這些等式和解決上千萬的等式的計算且計算工作量很大。急需適宜的動力學(xué)等式來計算顯微組的演化和機械性能的變化。

在這里，我們組合一個經(jīng)過實踐檢驗的3D瞬時傳熱和流體流動模型和一個動力學(xué)模型來預(yù)測采用激光多層直接能量沉積進行制造的H13工具鋼的顯微硬度。傳熱和流體流動模型被用來精確的計算在部件的不同位置和不同工藝參數(shù)下的熱循環(huán)。不斷重復(fù)的加熱和冷卻在多層沉積時在部件不同位置隨時間的影響進行了研究。H13工具鋼的恒溫時效被用來計算相變動力學(xué)平衡的參數(shù)。傳熱流體流動模型，相變動力學(xué)和恒溫時效數(shù)據(jù)的合成提供了計算工藝參數(shù)變化對顯微組織和性能隨工藝參數(shù)變化的框架估計，這是目前其他手段所不能實現(xiàn)的。計算得到的硬度值使用獨立的實驗數(shù)據(jù)在不同的工藝參數(shù)下經(jīng)過嚴格的測試。這一模型同時用來檢查了激光功率和掃描速度對硬度變化的影響。

研究所采取的策略
圖2 本次研究所采取的策略的示意圖。DED-L部件的硬度通過如下三個步驟來進行預(yù)測，首先，一個經(jīng)過嚴格測試的，DED-L的3D傳熱和流體流動模型用來計算在特定位置的精確的熱循環(huán)。其次， Johnson-Mehl-Avrami (JMA) 等式給出總的馬氏體轉(zhuǎn)換隨著等溫相變時間的分數(shù)。結(jié)果顯示文獻中給出的硬度變化同相變分數(shù)成正比。因此，在這里，樣品的硬度測量可以用來將相變（時效）動力學(xué)同溫度和時間相關(guān)聯(lián)，并且JMA參數(shù)可以從時間-溫度-時效數(shù)據(jù)中確定�；�于H13工具鋼在不同溫度下的等溫時效數(shù)據(jù)，JMA等式中的常數(shù)就可以估計出來。最后，等溫JMA等式整合在計算熱循環(huán)中來計算硬度。

▲圖2. 本研究所采用的測量流程圖。關(guān)鍵的組成部分為DED-L工藝，DED-L的機械模型（傳熱和流體流動）用來計算熱循環(huán)和H13工具鋼的等溫時效數(shù)據(jù)來預(yù)測JMA等式的常數(shù)。機械模型和JMA為基礎(chǔ)的動力學(xué)模型組合在一起來獲得預(yù)測的模型來估計DED-L過程中制造的H１３工具鋼部件的硬度。

▲圖３. ３D溫度和速度場在兩個 等角視圖（ａ）（ｂ）時使用DED－L　H１３工具鋼進行傳熱模型進行計算得到的結(jié)果。激光參數(shù)為：激光功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。

▲圖４. 在長度方向平面（圖３中的XZ）在DED－L沉積H１３工具鋼時在中間寬度位置計算得到的溫度和速度場：(a) 1st, (b) 2nd, (c) 3rd和 (d) 4th層。為激光參數(shù)為：激光功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。(e)在沉積４層的時候在四個位置計算得到的熱循環(huán)。

▲圖５. (a) 在在采用不同的激光功率沉積第四層的時候，第一層所計算得到的熱循環(huán)；(b)在兩種激光功率條件下進行沉積第四層時計算得到的硬度。硬度值得計算為頂部得每層得中間長度和中間寬度得位置。所有得結(jié)果均為DED-LH13工具鋼得硬度結(jié)果，采用得加工參數(shù)為：掃描速度 8.47 mm/s。

結(jié)論
性能預(yù)測模型基于DED-L過程中的傳熱和流體流動模型和JMA為基礎(chǔ)的動力學(xué)模型來預(yù)測H13工具鋼部件的硬度。部件中不同位置的熱循環(huán)，基于傳熱和流體流動模型，經(jīng)過獨立實驗結(jié)果進行了測試。H13工具鋼的等溫時效數(shù)據(jù)用來估計JMA等式的常數(shù)。ＪＭＡ等式整合之后計算得到的熱循環(huán)來預(yù)測H１３鋼的硬度。計算得到的硬度同獨立實驗得到的數(shù)據(jù)是吻合的。如下為主要結(jié)論：

(1)H13 工具鋼的硬度可以通過使用傳熱和流體流動模型來預(yù)測隨工藝參數(shù)的變化所得到的硬度，該模型為相變動力學(xué)和時效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

(2)部件區(qū)域位置的硬度隨著能量強度，持續(xù)時間和重復(fù)的熱循環(huán)系數(shù)的增加而降低。在DED－L過程中的馬氏體的形成是高的冷卻速率造成的分解成時效馬氏體而造成的，這是因為時效包括多個熱循環(huán)。結(jié)果，部件的硬度降低�！�

(3)部件的底部層在隨后的沉積層的過程中經(jīng)受著大量的熱循環(huán)，從而由于時效而造成硬度降低。因此，硬度隨著距離沉積層的距離而降低。　

(4)由于激光功率高和掃描速度慢而造成的高的熱輸入會導(dǎo)致冷卻速率慢，從而硬度降低。此外，高的熱輸入造成在特定區(qū)域的溫度升高而形成時效馬氏體。由于以上原因，部件在高溫下制造時得到的硬度低。　

這里量化的測量方法也可以用來預(yù)測其他商業(yè)合金的硬度,如析出硬化鋼類型的鎳基高溫合金,至少在原理上是可行的.然而,由于這類合金復(fù)雜的時效特性,硬度的計算就不能直接進行.相似的工作需要發(fā)展這些合金的時效動力學(xué)才能整合到計算的熱循環(huán)當(dāng)中.相似的硬度可以在部件的不同位置中結(jié)合顯微組織來實現(xiàn).不能直接通過捕獲所有的相來計算硬度,由此在將來有大量的工作需要開展.由于硬度(強度)隨時間-空間的變化可以依據(jù)工藝參數(shù)的變化來預(yù)測.控制顯微組織和性能對每一種材料來說,至少對比較簡單的合金是可以實現(xiàn)的。

▲圖7. (a)H13工具鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線; 形成富Cr和富V碳化物在增材制造H13工具鋼的時候時效馬氏體的顯微組織; (c)沉積態(tài)中形成的馬氏體組織和(d)在部件的隨后的沉積過程中經(jīng)受重復(fù)加熱和冷卻得到的時效馬氏體結(jié)構(gòu)并同時伴隨著碳化物析出相

圖8 增材制造預(yù)測合金組織和形貌的一個案例

文章來源：Spatial and temporal variation of hardness of a printed steel part，Acta Materialia，Available online 25 February 2021, 116775，
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116775
參考文獻:Building blocks for a digital twin of additive manufacturing,Acta Materialia,Volume 135, 15 August 2017, Pages 390-399,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.039