金屬頂刊《ACTA》：增材制造彎曲晶粒界面“魚(yú)鱗”形貌異種合金材料！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文采用數(shù)值模擬方法研究了Inconel 718粉末在316L奧氏體不銹鋼應(yīng)力基體上經(jīng)過(guò)單道激光PBF后形成不同凝固界面形貌的物理機(jī)制。將微米尺度的流體動(dòng)力學(xué)和凝固協(xié)議與納秒級(jí)熱擴(kuò)散過(guò)程相結(jié)合這些與參數(shù)實(shí)驗(yàn)相輔相成，以驗(yàn)證模擬。結(jié)果表明，由于反沖壓力、馬蘭戈尼力、表面張力和熔池形狀的共同作用，在某些工藝參數(shù)組合下會(huì)出現(xiàn)具有“魚(yú)鱗”形態(tài)的界面。確定了取決于熔池寬度和深度的三種不同形態(tài)，并計(jì)算了每種形態(tài)的界面面積。闡明了加工條件的影響，這些條件不僅決定了熔池的幾何參數(shù)，而且還決定了合金化程度和界面微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的晶粒形態(tài)。

金屬部件的增材制造(AM) 與傳統(tǒng)制造方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)，因此正在大力研究。探索最廣泛的 AM 技術(shù)是使用激光 (LPBF) 或電子束 (EPBF) 逐行和逐層選擇性融合粉末床 (PBF) 來(lái)構(gòu)建所需的 3D 對(duì)象。這些技術(shù)還可用于制造具有連續(xù)成分梯度的組件，并連接或包覆不同的金屬/合金。與定向能量沉積相比，使用 PBF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些具有挑戰(zhàn)性(DED) 流程，但由于 PBF 能夠構(gòu)建具有更高復(fù)雜性和更精細(xì)細(xì)節(jié)的零件，因此一直在上升。因此，已經(jīng)為 PBF系統(tǒng)提出了創(chuàng)新的解決方案，以在單個(gè)構(gòu)建過(guò)程中實(shí)現(xiàn)成分不同的粉末鋪展 。利用這些將大大增強(qiáng) AM 的多功能性。然而，在融合在一起的不同金屬之間賦予強(qiáng)大的冶金結(jié)合是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊臒嵛锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)的差異可能會(huì)導(dǎo)致界面薄弱。

當(dāng)涉及到限制制造部件的機(jī)械完整性和可靠性的性能時(shí)，這種界面可能充當(dāng)結(jié)構(gòu)中的“薄弱環(huán)節(jié)”。由于粉末的熔化和隨后的凝固在 PBF過(guò)程中迅速發(fā)生，因此這些過(guò)程固有的大量殘余應(yīng)力；這種應(yīng)力本身可以幫助分離沉積層.因此，在 LPBF/EPBF 或直接能量沉積過(guò)程中，詳細(xì)了解異種合金之間的界面形態(tài)及其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展至關(guān)重要。然而，通過(guò)直接的實(shí)驗(yàn)觀察很難在三維空間中獲得這樣的洞察力，而另一方面，模擬異種合金的界面形態(tài)需要考慮各種物理過(guò)程（粉末和粉末的快速熔化和隨后凝固）之間的復(fù)雜相互作用。迄今為止還沒(méi)有提出異種合金界面的三維形貌演變。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)路線，對(duì)激光熔覆異種金屬（LCDM）的界面形貌、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能進(jìn)行了廣泛的探索。所研究合金的一些例子包括鈦基（Ti6Al4V/316、Ti6Al4V/invar）、鐵基（316L/Cu、Inconel625/316L）和其他合金。嚴(yán)格地說(shuō)，界面包括異種金屬相互擴(kuò)散的區(qū)域，形成中間成分的區(qū)域，這可能導(dǎo)致形成脆性第二相，如金屬間化合物和非晶相。這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)主要問(wèn)題，即由于在 PBF 過(guò)程中產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力而在界面處發(fā)生裂紋 。如果包層界面在制造過(guò)程中幸存下來(lái)，脆性中間相的應(yīng)變局部化會(huì)導(dǎo)致機(jī)械拉伸載荷期間過(guò)早開(kāi)裂和失效。

在金屬增材制造的背景下，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 方法被廣泛用于了解單一合金的熔化、凝固、蒸發(fā)、冷凝和多相流動(dòng)的物理過(guò)程，從而優(yōu)化打印部件的質(zhì)量。然而，對(duì)異種合金 PBF 的此類(lèi)研究很少。最近，顧等人對(duì)Cu10Sn 合金粉末在奧氏體不銹鋼316L 基材上的選擇性激光熔化進(jìn)行了 CFD 研究。由于激光Cu10Sn 粉末的吸收率低（約 0.03），熔化的熱傳導(dǎo)模式占主導(dǎo)地位。他們發(fā)現(xiàn)界面處的相遷移與熔池內(nèi)部的對(duì)流有關(guān)，這有助于兩種合金的混溶。在隨后的工作中，Sun 等人考慮到兩種合金之間的混溶性，并在 IN718 基板上模擬 Cu10Sn 粉末的激光粉末床熔合過(guò)程. 由于熔化的熱傳導(dǎo)模式邊緣滲透到基板中，復(fù)雜層間界面的形成受到熔池中不同材料的可用性的限制。因此，通過(guò)這些建模工作無(wú)法捕獲由穿透兩種合金之間界面的小孔穿透和界面的相關(guān)形態(tài)變化所主導(dǎo)的熔化。

在目前的工作中，新加坡南洋理工大學(xué)ZhongminXiao將微米級(jí)流體動(dòng)力學(xué)與納秒級(jí)熱擴(kuò)散過(guò)程相結(jié)合以捕獲環(huán)境氣體和合金之間的熱相互作用的多物理模型被用來(lái)模擬并詳細(xì)檢查微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜界面的形成在兩種不同合金的 LPBF 期間。模擬預(yù)測(cè)通過(guò)單軌 LPBF 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以確定有利于形成具有“魚(yú)鱗”形態(tài)的不同互穿界面的條件。相關(guān)研究成果已題“On the formation of “Fish-scale” morphology with curved graininterfacial microstructures during selective laser melting of dissimilaralloys”發(fā)表在金屬頂刊Acta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645421007114

圖1。單軌激光掃描的代表性圖像，顯示用于提取物理參數(shù)和本研究中使用的各種觀察方向的橫截面。橫截面 AA 平行于掃描和構(gòu)建方向。橫截面 BB 到 EE 垂直于掃描方向，同時(shí)平行于構(gòu)建方向。D m是熔池底部到基材頂部的距離。

圖2。單個(gè)軌道的地形。上圖顯示了單個(gè)軌道的 3D 視圖，中間和底部行中的圖像分別顯示了軌道不同位置的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（頂視圖）。

圖3。IN718粉末的單軌激光熔化期間形成的熔體池在 316L 基板上以三種不同的激光功率 ( L )的掃描速度 ( V )。

圖 4。代表性模擬結(jié)果顯示 (a) 熔體流動(dòng)、(b) 表面張力梯度和 (c) 沿截面AA 的溫度梯度，該溫度梯度從L = 200 W 和V = 900 毫米/ s。圖（b）中，從圖（a）中的熔池中提取的表面張力梯度，圖（c）是從圖（b）中提取的合金表面的溫度和溫度梯度。顏色形狀代碼：熔體速度方向-黑色箭頭；熔池邊界——藍(lán)線；T ep等溫線 (1801K) – 白線；T es等溫線 (2400 K) – 黃線；鎖孔邊界——紅線；IN718分布——綠地；316L分布——紅色區(qū)域；+ Δσ /ΔŤ -淡藍(lán)色區(qū)域; -Δ σ / Δ T –深藍(lán)色區(qū)域。

圖 6。代表性模擬結(jié)果顯示了單軌熔體中熔池內(nèi)的流動(dòng)特性( L  = 200 W, V  = 1500 mm/s)。圖(a)、(b)、(c)和(d)取自圖1所示的截面AA、BB、CC和DD 。顏色代碼：316L——紅色；IN718 – 綠色。圖(e)顯示了從圖1中的視角II成像的凝固合金的界面。

圖 7。代表性模擬結(jié)果顯示了單軌熔體中熔池內(nèi)的流動(dòng)特性( L  = 200 W, V  = 900 mm/s)。圖(a)、(b)、(c)和(d)取自圖1所示的截面AA、BB、CC和DD 。顏色代碼：316L——紅色；IN718 – 綠色。圖(e)顯示了從圖1中的視角II成像的凝固合金的界面。

圖 8。代表性模擬結(jié)果顯示了單軌熔體中熔池內(nèi)的流動(dòng)特性( L  = 200 W, V  = 300 mm/s)。圖(a)、(b)、(c)和(d)取自圖1所示的截面AA、BB、CC和DD 。顏色代碼：316L——紅色；IN718 – 綠色。圖(e)顯示了從圖1中的視角II成像的凝固合金的界面。

圖 10。(a) Fe（紅色）和 Ni（綠色）的實(shí)驗(yàn)元素分布圖沿著從單軌激光掃描獲得的橫截面 AA 疊加，L  = 100 W 和V  = 300 mm/s。由于 Fe 和 Ni 分別是 316L 和 IN718 的主要元素，紅色和綠色區(qū)域可以分別代表 316L 和 IN718。(b) 相應(yīng)的模擬合金分布圖（紅色和綠色區(qū)域分別代表 316L 和 IN718。）。(c) 使用 EBSD 獲得的相應(yīng)晶粒取向圖。(a)、(b) 和 (c) 左上角區(qū)域的虛線框突出顯示了魚(yú)鱗形成的 2D 視圖，其中也可以觀察到彎曲的紋理。

圖 11。（頂行）Fe（紅色）和Ni（綠色）的代表性元素分布圖沿著橫截面EE（見(jiàn)圖1）疊加，從單道激光掃描中獲得，D m / W m為（a）1.18， (b) 0.43、(c) 0.27 和 (d) 0.23。（中行）對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果，紅色和綠色區(qū)域分別代表 316L 和 IN718。（底行）EBSD圖像顯示相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)。圖(b)和(c)上排白色箭頭表示彎曲條帶和漩渦的形成，圖(b)和(c)下排白色箭頭表示相應(yīng)的彎曲顆粒形成。

這種最佳工藝窗口識(shí)別的方法應(yīng)始終涉及對(duì)涵蓋界面演化兩個(gè)極端的激光參數(shù)的探索，從傳導(dǎo)熔化到嚴(yán)重的小孔熔化。本研究中觀察到的界面演變適用于任何具有移動(dòng)聚焦能源的熔化過(guò)程。因此，應(yīng)該可以在定向能量沉積中觀察到類(lèi)似的現(xiàn)象過(guò)程也是如此。毋庸置疑，需要進(jìn)行大量的模擬和實(shí)驗(yàn)工作，以實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)界面的全尺寸多材料組件。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵方面是在隨后的層沉積過(guò)程中對(duì)“魚(yú)鱗”界面進(jìn)行最小的變化，這可以通過(guò)切換到熔化的傳導(dǎo)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。