頂刊《Acta Materialia》： 定向能沉積增材制造的相關(guān)同步加速器X射線成像和衍射

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：本文通過鎳基高溫合金IN718的原位和操作同步加速器X射線成像和衍射研究揭示了定向能量沉積增材制造（DED-AM）的控制機理行為。
摘要

通過鎳基高溫合金IN718的原位和操作同步加速器X射線成像和衍射研究揭示了定向能量沉積增材制造（DED-AM）的控制機理行為。使用獨特的DED-AM工藝復制器，真實空間成像可以量化凝固過程中的熔池邊界和流動動力學。這種成像知識還用于在100μm的空間分辨率下，在轉(zhuǎn)變和應力發(fā)展過程中對時間分辨的微觀結(jié)構(gòu)相進行精確的衍射測量。衍射量化的熱梯度能夠預測樹枝狀凝固微觀結(jié)構(gòu)并將其耦合到應力狀態(tài)�？焖倮鋮s速度完全抑制了二次相的形成或固態(tài)的再結(jié)晶。凝固后，應力在冷卻過程中迅速增加到屈服強度。這一見解與IN718的大凝固范圍相結(jié)合，表明累積的塑性耗盡了合金的延展性，導致液化開裂。這項研究揭示了在DED-AM期間控制高度非平衡微觀結(jié)構(gòu)形成的機制。

1介紹

激光增材制造（LAM）是一種高度通用且靈活的制造技術(shù)，可以逐層制造復雜的幾何形狀。它正在改變現(xiàn)代制造業(yè)，特別是在冶金行業(yè)。定向能量沉積增材制造（DED-AM）通過噴嘴沉積粉末或線材原料并用激光熔化，是最具成本效益和通用的LAM方法之一，因為它能夠生產(chǎn)大型近凈形狀的自由形狀組件。DED-AM還用于修復航空航天，生物醫(yī)學和汽車行業(yè)中的高價值部件。然而，DED-AM過程中的快速凝固導致了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括產(chǎn)生顯著的殘余應力和形成不良的微觀結(jié)構(gòu)特征，如孔隙、裂紋或大的外延顆粒。這目前限制了DED-AM在生產(chǎn)安全關(guān)鍵部件方面的廣泛工業(yè)應用。為了克服這些限制，需要對制造過程中的基本瞬態(tài)物理場有更深入的了解。

增材制造的四個M（4M）：材料，制造，計量和市場。

增材制造與傳統(tǒng)的形成性或減材制造有著根本的不同，因為它最接近“自下而上”的制造，我們可以使用“逐層”方法將結(jié)構(gòu)構(gòu)建成其設(shè)計的形狀。這種逐層制造在制造復雜、復合材料和混合結(jié)構(gòu)方面具有前所未有的自由度，其精度和控制力是傳統(tǒng)制造路線無法實現(xiàn)的。一個很好的例子可以是骨組織工程支架，其目的是在體內(nèi)提供組織支持，同時模仿骨的多孔和可滲透的分層結(jié)構(gòu)。復制骨支架的傳統(tǒng)方法已被證明難以模擬互連的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是使用X射線微型計算機斷層掃描（X射線μCT）圖像與計算機輔助設(shè)計（CAD）相結(jié)合可以創(chuàng)建可以使用AM可靠地處理的設(shè)計文件

LAM的原位和操作高速X射線研究已被證明在揭示以前看不見的瞬態(tài)激光誘導現(xiàn)象方面取得了巨大成功，包括熔池動力學，微觀結(jié)構(gòu)特征形成和相演變。同步加速器X射線成像已被證明可以有效地捕獲激光 - 物質(zhì)相互作用和激光粉末床融合（LPBF）中的基礎(chǔ)物理。然而，對DED-AM的同步加速器成像的關(guān)注要少得多。工業(yè)DED-AM沉積物的較大長度尺度導致X射線透射率低，使X射線研究具有挑戰(zhàn)性。盡管如此，仍然非常需要量化和理解具有高空間和時間分辨率的光學不透明金屬樣品。高通量、高能量的第三代同步輻射源使快速（毫秒到微秒）X射線成像和激光-物質(zhì)相互作用的衍射成為可能。

本研究中研究的材料是鎳基高溫合金IN718。它具有優(yōu)異的高溫性能和耐腐蝕性，廣泛應用于航空航天、船舶和發(fā)電燃氣輪機中的渦輪盤等安全關(guān)鍵部件。IN718也是LAM常用的高溫合金。然而，LAM引入了高熱應力，這源于IN718的高彈性模量和熱膨脹系數(shù)。添加Ti或Nb在晶界和/或樹枝狀區(qū)域形成共晶化合物和元素偏析增加了熱裂變敏感性。因此，使用LAM可能很難生成無裂紋組件。

在這項工作中，我們使用獨特的AM過程復制器對DED-AM過程進行了時間和空間分辨的X射線成像和衍射組合，該復制器具有直接擴展以復制工業(yè)過程參數(shù)的功能。X射線成像和衍射的結(jié)合提供了對DED-AM的全面，深入的了解，包括熔池動力學，凝固順序和原位和操作中捕獲的不良微觀結(jié)構(gòu)特征形成。這項研究通過X射線成像對關(guān)鍵特征進行了量化，指導了溫度、應變和相位的衍射量化，每個特征在熔池和周圍熱影響區(qū)域的空間映射。

3.結(jié)果

3.1.原位和操作X射線成像和衍射

在原位成像實驗期間，X射線束被基板，粉末和沉積的熔體軌跡衰減，PCO.edge sCMOS相機（PCO，德國）能夠獲取所得射線照相視頻，如圖1 所示。這些X光片記錄了使用IN718的DED-AM構(gòu)建的多層熔體軌道形態(tài)的時間分辨演變（圖1 b）。同步加速器成像條件經(jīng)過精心定制，以優(yōu)化信噪比、空間和時間分辨率之間的權(quán)衡。

圖1 DED-AM IN718的原位X射線成像量化。

使用Pilatus 2M CdTe 2D面積檢測器（瑞士Dectris有限公司）獲取原位衍射數(shù)據(jù)，從而能夠在傳輸過程中收集完整的德拜-謝爾衍射圖案。使用70keV的X射線能量并用CeO2標準校準。實驗裝置如圖2a所示。

圖2 DED-AM IN718的原位X射線衍射：（a）DED-AM工藝的原位和操作性X射線衍射示意圖。同步輻射X射線被沉積的材料衰減，衍射的X射線被大的2D區(qū)域衍射探測器記錄。（b）本研究中使用的熔池映射策略，由6×7映射矩陣組成。（c）本研究中使用的熔體軌跡映射策略，包括熔體軌跡區(qū)域的3×21映射矩陣。標記為“d”的箭頭表示單獨采集的30個離散衍射圖案的線掃描的距離度量。該線掃描獲得了從熔池前部進入熔池，然后進入熔池軌道的數(shù)據(jù)；總掃描距離為3mm。在（d）中，這些單獨圖案的強度被繪制為d間距和掃描距離的函數(shù)，主要相位被標記為它們各自的反射。

3.2.DED-AM期間的流動動力學

在熔池中觀察到的流動動力學是流體流動與粉末顆粒摻入的阻尼效應之間的復雜相互作用。激光在熔池中產(chǎn)生高的熱梯度，從而產(chǎn)生馬蘭戈尼流動；當較冷的粉末顆粒被引入熔池時，其熔化的淬滅效應使這一點更加復雜。添加鎢示蹤劑以量化多層DED-AM構(gòu)建中的熔池流動模式和觀察到的流動模式，表明熔池形狀在很大程度上取決于流動特征（圖3）。流動的W示蹤顆粒的軌跡指示了從上部熔池中心到底部的徑向（向外）流動路徑，如示意圖所示（圖3a）。熔池分為三個區(qū)域：1.區(qū)域A，在熔池右側(cè)可以看到順時針流動（圖3b）；2.區(qū)域B，在熔池左側(cè)觀察到逆時針流動（圖3c）；3.區(qū)域C，平行于X射線束方向流動（圖3a中的頁面內(nèi)和頁面外方向），位于熔池中心，當在2D投影中觀察時，呈現(xiàn)上下流動行為。彩色線條表示示蹤粒子的軌跡和方向。

圖3 使用W示蹤劑對DED-AM IN718期間Marangoni流動的原位和操作性X射線成像定量。

通過同步輻射X射線照相術(shù)量化了操作參數(shù)下的熔池幾何結(jié)構(gòu)（圖4）。當粉末進給速率為1 g min - 1、2 g min - 1和3 g min - 1時，熔體池形狀的x射線照片分別如圖4a i-iii所示。熔池體積隨進粉速度和激光功率密度的增大而增大。隨著面積和激光功率密度的減小，或隨著穿越速度的增加，熔池體積減小，與預期一致。增加穿越速度也減少了粉末沉積到熔池的數(shù)量，進一步減少了熔池體積。通過對不同工藝條件下熔池幾何形狀的x射線成像觀察，選擇了200W、1 g min - 1和1 mm s - 1作為衍射實驗的操作參數(shù)。選擇這些參數(shù)是因為它們最小化了諸如孔隙率等不良特征，并創(chuàng)建了穩(wěn)定的熔池。

圖4 DED-AM IN718的原位同步輻射X射線成像熔池定量。

3.3.冷卻期間的相變

圖5顯示了從衍射數(shù)據(jù)集計算的空間分辨相體積分數(shù)，來自使用所選參數(shù)構(gòu)建的薄壁的第1層、第3層和第5層。圖5a顯示了映射區(qū)域中X射線束方向的平均溫度，由激光加熱和隨后冷卻過程中的晶格間距膨脹和收縮確定。由于檢測不到固相時峰值強度的限制，熔池溫度設(shè)置為1360°C。如圖5a所示，在行程1 mm內(nèi)（持續(xù)時間為1 s），溫度從熔化溫度降至1200°C以下，冷卻速度在此范圍內(nèi)顯著降低。

圖5 根據(jù)衍射圖得出的熔池映射結(jié)果，顯示了多層熔池區(qū)域中的（a）溫度、（b）液體體積分數(shù)、（c）γ相體積分數(shù)，（d）MC碳化物體積分數(shù)和（e）laves體積分數(shù)。

3.4.應力演變

如圖6所示，在第三層構(gòu)建過程中，在熔體軌跡區(qū)域原位收集了衍射數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)用于量化應力演變，與多層構(gòu)建條件下DED-AM期間的相分數(shù)形成對比，并可用于裂紋敏感性預測。選擇{200}γ反射來計算應力；盡管可以從該相位使用任何反射，但使用峰值的最高強度（具有最高信噪比）被認為提供了最佳精度。

圖6 從衍射圖得出的熔體軌跡映射結(jié)果。

構(gòu)建后樣品中的殘余應力以逐層間隔測量，包括在基底中測量的一行。σxx、σxy和σyy分量的結(jié)果如圖7所示。如預期的那樣，在襯底中（在22.5mm的位置），面內(nèi)應力分量被測量為近似為零。建筑內(nèi)的法向應力分量σxx和σyy被測量為壓縮，并且在每個單層內(nèi)具有相似的大小，σxy被測量為近似為零。σxx和σyy的實測壓縮應力范圍為-45 MPa至-125 MPa，表明層間應力變化；然而，需要進一步的分析來證實這一點，因為誤差大小相似。

圖7 根據(jù)衍射圖計算的宰后多層構(gòu)建中的殘余應力。（a）顯示線掃描策略的示意圖。基底竣工高度0 mm。（b）殘余應力測量。

4.討論

4.1.Marangoni流量

DED-AM過程中的凝固過程由熔池中的傳熱控制，而DED-AM中的熔池流動是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了熔體軌跡發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)特征形成過程中的傳熱和傳質(zhì)。跟蹤DED-AM過程中的Marangoni流動，使我們能夠了解恒定激光輻射和粉末摻入下的熔池演變。盡管反沖壓力、浮力、蒸汽壓力和陰影效應等其他因素也會影響熔體流動，但我們的研究表明，表面張力是控制熔體池流動行為的主要驅(qū)動力。

通過DLD對薄壁進行數(shù)值建模。

模擬質(zhì)量添加（或“質(zhì)量化”）的典型方法是解決一系列恒定幾何問題，每個問題在給定時間內(nèi)。對于每個新時間，都會向網(wǎng)格引入新單元，然后連接相鄰網(wǎng)格并輸入初始條件，同時更新邊界條件，如山兔所示。每個新的“活化”元素（或“誕生細胞”）的初始溫度幾乎等于材料液相線溫度。在一段時間內(nèi)引入的新元素的數(shù)量是粉末進料速率的函數(shù)。請注意，每個單元都由子單元組成，以便更好地模擬熱能擴散和局部流體力學。

4.2凝固過程和冷卻速度

熔池的凝固由通過熔池的凈傳熱控制，在本研究中，我們關(guān)注兩個主要事件：（1）糊狀區(qū)傳熱和（2）微觀結(jié)構(gòu)演變。糊狀區(qū)含有固體，以及富含合金元素的枝晶間液體。這里，熱梯度是從使用衍射圖案的熔池溫度映射結(jié)果得出的，從而能夠更準確地表征熔池凝固前沿行為。

DLD期間帶有熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

數(shù)值和/或分析建模的一個明顯優(yōu)勢是，它們?yōu)椤疤摂M”運行實驗以確定最佳DLD工藝參數(shù)提供了一種重要手段。與使用困難的測量技術(shù)的試錯實驗相比，這更具成本效益且耗時更少。數(shù)值方法的利用提供了一種更有效的方法來優(yōu)化DLD工藝，以生產(chǎn)具有目標制造后特性的零件。例如，通過數(shù)值模擬，代替昂貴/廣泛的實驗，最終用戶可以學習并提供（i）冷卻速率，（ii）HAZ中的熱循環(huán)頻率/幅度和（iii）峰值溫度分布。然后，這種“熱數(shù)據(jù)”可用于與零件中

4.3.最終凝固相演變

DED-AM過程中的快速激光誘導加熱和冷卻速率先前意味著DED-AM期間形成的相只能通過構(gòu)建后金相分析來測量，通過模擬推斷動力學。Zhao等人指出了使用X射線成像估計凝固速率的可能性。然而，我們的研究直接量化了凝固順序，包括對相形成溫度、動力學和體積分數(shù)的估計。對于本研究中使用的工藝參數(shù)，我們定量確定了IN718 DED-AM過程中的主要相為γ、MC型碳化物和Laves。

我們假設(shè)在熔體冷卻期間，晶格間距的減小是由于固相線上方的熱收縮；因此，可以使用已知的熱膨脹系數(shù)從晶格間距計算溫度演變。我們還假設(shè)IN718中γ相的熱收縮行為從熔體到室溫是線性的。該行為與另一項研究中的觀察結(jié)果相重復，該研究表明，熱膨脹導致IN625中γ相的無應力晶格常數(shù)線性增加。然后，使用液相線和室溫中列出的熱膨脹系數(shù)，根據(jù)晶格間距計算溫度演變。除了MC碳化物和Laves相的形成外，IN718樣品在映射區(qū)域的冷卻過程中沒有表現(xiàn)出進一步的相變，因為快速冷卻速率被認為足以抑制γ'和γ'相的形成。在沒有任何進一步的固態(tài)轉(zhuǎn)變的情況下，可以將熱效應的貢獻與化學效應和應力效應分開。

DLD期間帶有熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

過程量熱儀的實驗結(jié)果代表了量熱儀入口和出口的水溫差異。上圖顯示了在1kW激光功率下用粉末加工的Ti-6Al-4V合金的實驗結(jié)果之一。吸收的總能量，，通過對入口和出口溫度差值進行數(shù)值積分來計算。

4.4.開裂標準

激光誘導的快速加熱和冷卻會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，導致顯著的體積收縮和殘余應力。同時，在IN718的LAM過程中，晶界和枝晶間區(qū)域的共晶反應和元素偏析因溶質(zhì)富集而產(chǎn)生了顯著的過冷度。晶間液體薄膜和高熱應力的結(jié)合增加了熱裂紋的敏感性，特別是熱影響區(qū)的液裂。從根本上講，發(fā)生熱裂紋必須滿足兩個條件：（a）機械/熱約束（應變）耗盡材料的延展性；以及（b）易開裂的微觀結(jié)構(gòu)是由于液膜沿凝固邊界的持續(xù)存在。圖8a中繪制了這些值與溫度的函數(shù)關(guān)系。

圖8 DED-AM期間IN718的開裂敏感性。

圖8a顯示，在感興趣區(qū)域的液相線溫度（1360°C）下，所有應力均為零，并且在冷卻過程中應力增加。因此，在IN718的DED-AM快速冷卻期間，一旦固體形成，材料立即達到屈服應力。可以推斷，當材料達到接近100%的固體時，彈性開始累積，隨著溫度降低，彈性持續(xù)存在。

5.結(jié)論

一種獨特的原位和可操作過程復制器已經(jīng)成功實現(xiàn)，能夠?qū)Χ鄬覦ED-AM過程中發(fā)生的基礎(chǔ)物理進行快速時間分辨同步加速器實時和往復空間X射線成像。在鎳基高溫合金IN718的DED-AM過程中，獲得了重要的新見解，將激光熔化與所得微觀結(jié)構(gòu)和潛在的有害特征（如孔隙率和微裂紋）聯(lián)系起來。可以得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

•使用成像來指導時間分辨衍射數(shù)據(jù)的分析，可以在多層DED-AM構(gòu)建過程中明確地分離熱梯度、相變（包括體積分數(shù)發(fā)展和宏觀機械應力發(fā)展）。

•通過測量瞬時冷卻速率，可以假設(shè)在DED-AM期間IN718中的凝固前沿是樹枝狀的。在冷卻過程中，觀察到以下相變順序：液體→液體+γ→液體+γ+MC→液體+γ+MC+Laves→γ+MC+Laves。竣工微觀結(jié)構(gòu)主要包括γ，但也包含低體積分數(shù)相，包括：；MC碳化物（約1.1體積%）Laves（約0.5體積%），顯示了該技術(shù)的高靈敏度。

•通過跟蹤熔體流動的速度和方向來量化熔體池中的傳熱動力學。馬蘭戈尼對流是控制熔池流動的主要現(xiàn)象，其中熱對流控制熔池中心，而在糊狀區(qū)域，熱傳導占主導地位。

•結(jié)果表明，高溫區(qū)的累積應力主要受熱效應的影響。應力足夠高，以在材料固化后和進一步冷卻期間立即產(chǎn)生材料。應力并沒有觸發(fā)二次強化相或再結(jié)晶的形成，而是耗盡了材料的延展性，并可能由于較大的凝固范圍而導致液化開裂。

通過描述DED-AM過程中運行的瞬態(tài)特性，可以了解竣工特性，包括二次相的體積分數(shù)和材料的機械特性，這些特性可用于指導后期熱處理策略。將這種見解應用于鎳基高溫合金和其他合金系統(tǒng)，將有助于提高額外制造零件的質(zhì)量和性能。

來源：Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116777

參考文獻：Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities, Mater. Today., 21 (2018), pp. 22-37, 10.1016/J.MATTOD.2017.07.001