使用激光束整形策略的金屬激光粉末床熔融增材制造中的微觀結構控制（1）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：本文研究了使用高斯（圓形）和橢圓（橫向和縱向）激光束形狀對 316 L 不銹鋼進行單軌激光粉末床融合加工期間柱狀到等軸微觀結構的轉(zhuǎn)變。證明了通過成核事件產(chǎn)生等軸晶粒的傾向與橢圓橫向激光束提供的大光束寬度相關。本文為第一部分。
摘要

增材制造（AM）有望通過局部微觀結構控制生產(chǎn)具有定制機械性能的復雜零件，從而徹底改變制造業(yè)。主要挑戰(zhàn)是控制或預防AM零件中普遍存在的柱狀（細長）生長形態(tài)。在這里闡明了使用激光束整形策略促進有利的等軸晶粒的微觀結構控制的機制。這需要精確的熱剖面，只有使用先進的預測仿真才能捕獲，該仿真將全激光光線追蹤、超快流體動力熔體流動和晶粒生長的元胞自動機方法相結合。本文研究了使用高斯（圓形）和橢圓（橫向和縱向）激光束形狀對 316 L 不銹鋼進行單軌激光粉末床融合加工期間柱狀到等軸微觀結構的轉(zhuǎn)變。證明了通過成核事件產(chǎn)生等軸晶粒的傾向與橢圓橫向激光束提供的大光束寬度相關。此外，揭示了瞬態(tài)狀態(tài)下的不同微觀結構演變機制。本文預計，這種對用于微觀結構控制的局部光束整形物理學的基本理解將對未來的復雜光束形狀設計以及光束調(diào)制產(chǎn)生影響。

圖形摘要

1 介紹

增材制造（AM），也稱為3D打印，是一種逐層創(chuàng)建三維實體物體的過程。長期以來，AM一直被認為是一種可以徹底改變制造業(yè)的技術，能夠快速制造具有復雜和定制幾何形狀的物體，這些物體無法通過其他方式輕松經(jīng)濟地生產(chǎn)。激光粉末床熔融（L-PBF）是直接金屬AM最常用的工藝。AM L-PBF 社區(qū)確定了一個新的具有挑戰(zhàn)性的目標，即控制特定地點的微觀結構，以生產(chǎn)具有定制機械性能的零件。更重要的是，了解和控制打印微結構的演變最終將允許定制組件微觀結構，以實現(xiàn)傳統(tǒng)加工無法實現(xiàn)的特性組合。

Q&C環(huán)境的示意圖。

上圖中的示意圖說明了Q&C環(huán)境的高級元素。在技術實施的早期階段，該行業(yè)通常必須完全依賴內(nèi)部專有材料和工藝規(guī)范進行內(nèi)部認證工作和監(jiān)管機構的認證。此類內(nèi)部文檔的開發(fā)通常冗長且昂貴。隨著SDO制定適當?shù)囊?guī)范和標準，公司可以在內(nèi)部和外部文件之間進行選擇。一般來說，使用行業(yè)公認的外部規(guī)范和標準可以簡化監(jiān)管機構的工作，并通過“公平競爭環(huán)境”來提高安全性，為AM等新技術的關鍵要素建立整個行業(yè)的最低可接受要求。例如，有興趣使用該技術但可能沒有足夠的資源來制定全面的內(nèi)部規(guī)范或標準的小型公司可以使用外部文檔來實現(xiàn)強大的問答流程。

關鍵微觀結構特征，即晶粒尺寸、凝固形態(tài)（如平面、蜂窩狀和樹枝狀）和增材制造金屬部件的晶體紋理，顯著影響機械性能，如強度和延展性。柱狀晶粒和等軸晶粒通常在由鐵基、鎳基和鈦基合金制成的部件的凝固區(qū)域中觀察到。前者通常較粗，而后者通常較小。大柱狀晶�？捎糜谔岣呖谷渥冃曰驗樘囟☉�用制造強質(zhì)構和各向異性。另一方面，除了霍爾-佩奇強化之外，還可以利用小的等軸晶粒來提高表面附近的疲勞壽命和抗晶間裂紋擴展能力。因此，通過控制柱狀和等軸晶粒的相對體積分數(shù)及其在加工過程中的空間分布，可以實現(xiàn)增材制造金屬部件的工程場地特定特性。

在沉積在Al 7475襯底上的Al-11.28 Si的DED-L制成的樣品的縱向平面上顯示了競爭性增長。

除了上述掃描策略外，空間和時間激光束強度調(diào)制還可以為特定位置的晶粒結構控制提供額外的自由度。激光束強度分布（即光束形狀）可以使用簡單的光學器件進行局部定制，例如變形棱鏡對和用于微結構控制的雙光束偏振復用器。

隨著最近在電子束和激光增材制造方面所做的努力，定制微結構的先驗參數(shù)選擇的最終目標就在眼前。特定部位的微觀結構控制具有許多實際應用，例如通過在表面或應力集中特征上施加刻意紋理來提高零件的疲勞壽命，或者制造具有功能分級機械性能的部件。2014年，Körner等人研究了鉻鎳鐵合金拉伸樣品中每十層不同的“交叉蛇”掃描模式與每一層的影響。作者發(fā)現(xiàn)，當凝固主要發(fā)生在建筑方向時，會形成柱狀晶粒，而當凝固方向變化頻繁時，會形成等軸晶粒。2015 年，Dehoff 等人通過在鉻鎳鐵合金 718 塊中開發(fā)被柱狀顆粒包圍的高度定向等軸晶粒來證明局部微觀結構控制。研究人員在點熱源和線熱源之間快速切換，以操縱局部熱梯度和固/液（s/l）界面速度。在激光增材制造中，通過使用多個激光源和不同的掃描策略，通過改變高達1000 W的激光功率[3]，也證明了一些微觀結構控制。

（a） C-S、（b） LE-S 和（c） TE-S 輪廓形成的熔體軌跡形成的縱向橫截面視圖，其中激光掃描在正 x 方向上進行。

本工作的目的是闡明通過激光束整形控制關鍵凝固微觀結構特征的主要物理機制，例如形態(tài)（例如，等軸與柱狀）、尺寸和晶體學紋理。由于L-PBF是一個高度瞬態(tài)和局部的過程，具有多種復雜的物理效應（即熔池中的劇烈流體流動，蒸發(fā)，快速凝固和熱循環(huán)等），這些影響結合在一起提供了一個具有挑戰(zhàn)性的優(yōu)化問題，因此仍然難以準確捕獲動態(tài)演變凝固微觀結構，并通過實驗試錯將所得微觀結構特征與加工參數(shù)相關聯(lián)。我們的方法是使用與元胞自動機（CA）耦合的高保真粉末尺度模型進行成核和晶粒生長。該模型采用激光光線追蹤來描述沿動態(tài)演變的熔池表面的激光-材料相互作用，并模擬任何光束形狀的精確熱剖面（圖1（a）-（b））。

圖 1 研究激光束強度分布（即光束形狀）對316 L不銹鋼單軌激光粉末床熔融AM過程中形成的凝固晶粒結構影響的集成建模框架示意圖。

2.建�？蚣�

2.1.ALE3D模擬瞬態(tài)溫度場和熔池幾何形狀

通過求解質(zhì)量、動量和能量守恒方程，得到了SS-316 L單軌L-PBF過程中的三維瞬態(tài)溫度場和熔池動力學。這是通過使用ALE3D代碼來實現(xiàn)的，ALE3D代碼是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室利用任意拉格朗日-歐拉技術開發(fā)的多物理場數(shù)值軟件工具。該代碼使用混合有限元（FE）和非結構化網(wǎng)格上的有限體積公式處理 3D 模型。

增量物理保真度，顯著改變傳熱、熔池深度和流量。紅色偽彩色對應于上限為4000K的溫度標度，藍色為293K。紅色等高線是熔線。粉末顆粒被向右移動（速度 1 m/s）的激光（功率 150 W）照射 10 μs。熔體軌跡是3D模擬的2D切片（激光功率為200 W，掃描速度為1.5 m / s），展示了改進的物理建模對熔池的影響。

2.2.凝固晶粒結構的元胞自動機（CA）模擬

CA方法使用簡化的成核和生長動力學定律模擬每個樹枝晶粒的外部包膜的發(fā)育，而不是模擬樹枝狀圖案的復雜發(fā)展（例如，樹枝狀樹干和臂的網(wǎng)絡）。面心立方晶體的凝固采用樹枝狀生長形態(tài)，其樹干和臂沿<100>晶體方向排列。因此，樹枝狀顆粒的外部包絡可以用3D八面體（2D中的正方形）表示，其主要半對角線由<100>方向定義，其中心位于CA單元的中心。

使用DREAM.3D和實驗測量將初始底物晶粒結構饋送到CA模型。我們首先使用EBSD表征表征了基材中的晶粒結構，包括晶粒尺寸及其分布和晶體學紋理（見圖2）。這組微觀結構統(tǒng)計量作為DREAM的輸入。3D在基材中生成統(tǒng)計上等效的合成晶粒結構。如圖3所示，微觀結構統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到了很好的再現(xiàn)。（有關使用 DREAM.3D 生成晶粒結構的詳細信息，請參閱補充材料）。

圖 2 實驗測量316 L不銹鋼樣品基底中的晶粒結構。

圖 3 使用 DREAM.3D 生成的基材中統(tǒng)計等效的晶粒結構。

3.結果

我們研究了在316L-SS的單激光軌跡L-PBF工藝中凝固晶粒結構的發(fā)展，以確定形成的晶粒結構的關鍵特征及其對激光束形狀的依賴性�？紤]的激光功率和掃描速度分別為 300 W 和 1.8 m/s。凝固的晶�？梢杂袃煞N不同的形態(tài)，即大柱狀晶粒和細等軸晶粒。前者是由于母體晶粒在熔池邊界處的外延生長，而后者是柱狀晶粒之前液體中新成核的晶粒。我們的方法是研究所得的凝固晶粒結構對有核和無成核的激光束形狀的依賴性。

3.1.晶粒結構的演變（通過無成核的外延晶粒生長）作為激光束形狀的函數(shù)

3.1.1.圓形高斯（CG）輪廓激光束下的凝固晶粒生長

單軌L-PBF工藝中晶粒結構的演變在三個二維橫截面中得到證明，包括水平X-Y切片，縱向X-Z切片和橫向切片（在如圖4（a）中的垂直虛線所示）。

圖 4 316L-SS單軌L-PBF AM期間晶粒結構的演變（a，c，e）：水平切片在8 μm基板表面以下，（b，d，f）：縱向切片，（g-j）：橫向切片X=350μm.激光束強度分布：圓高斯（CG）。原始基材中的先前晶粒被涂成淺藍色，相應的晶界（GBs）被涂成黑色。通過融合區(qū)成核產(chǎn)生的新晶粒使用IPF配色方案著色，相應的GB（即新GB）以深紅色著色。液態(tài)細胞及其邊界以紅色表示熔池的邊界。由蒸氣（即孔隙）填充的細胞及其邊界呈淺綠色。彎曲的白色虛線表示融合邊界。

熔池幾何形狀的時間變化對凝固晶粒結構的發(fā)展（形貌和生長方向）有顯著影響。從熔融邊界（定義為未熔化金屬和熔化金屬之間的邊界，用虛線曲線表示）與熔池邊界底部在三個不同橫截面處的相對位置，很明顯熔池通過部分熔化的等軸基底顆粒的外延生長而凝固（見圖4（a）、（b）和（g））。這些晶粒的外延生長從聚變邊界開始，并隨著激光軌跡的進展而向熔池中心前進。結果，這些顆粒變得細長并表現(xiàn)出柱狀形態(tài)。柱狀晶粒的生長方向似乎與移動的凝固前沿垂直，因此在其遷移過程中根據(jù)其在熔池后緣的局部位置動態(tài)變化（見圖4（c），（d）和（h））。之所以出現(xiàn)這種生長行為，是因為晶粒的凝固方向傾向于與最大熱流方向相反，而最大熱流方向與熔池的凝固界面（即熔池在后緣的邊界）垂直[16，32]。請注意，在具有隨機取向晶粒的多晶材料中，通常不滿足此條件;然而，由于平均晶粒尺寸遠小于熔池的尺寸，競爭性增長將快速選擇易于生長方向（即面心材料為 <100>）與固液界面處的最大熱流方向緊密對齊的晶粒[9]。在熔池的漸進運動過程中，早期形成的柱狀晶粒的外延生長伴隨著活化（無屏障）和附加部分熔化晶粒的外延生長（見圖4（e），（f）和（i））。熔池尺寸和形狀（或局部曲率）以及由此產(chǎn)生的凝固晶粒結構隨著激光掃描的進行而動態(tài)變化方向。例如，凝固晶粒生長以彎曲的形狀進行，以便沿著熔池的尾邊進行（圖4（e））。

由于熔池沿掃描方向拉長，因此熔池邊界的曲率在橫向截面上比在中心縱向截面上的曲率更明顯。因此，橫向橫截面的晶粒似乎朝著熔池的頂部中心呈徑向增長方向（見圖4（g）–（j））。相反，在縱向橫截面中，由于熔池邊界相對平坦，會產(chǎn)生幾乎垂直取向的細長晶粒（圖4（f））。

3.1.2.激光束形狀對熔池幾何形狀的影響

從第3.1.1節(jié)可以明顯看出，單軌L-PBF過程中高度局部化的凝固過程受到移動熔池的瞬態(tài)幾何特征的約束。通過對不同激光束形狀產(chǎn)生的熔池幾何特征的詳細比較，我們發(fā)現(xiàn)熔池的形態(tài)對激光束形狀敏感，如圖5中不同光束形狀的熔池可視化所示。不同橫截面上融合邊界的位置和空間可變局部曲率反映了所用激光束的形狀。從三個不同的橫截面可以看出，TE光束產(chǎn)生的熔池比CG光束在其他相同加工參數(shù)下產(chǎn)生的對應物更淺（沿構建方向，圖5（d）與（b））、更短（沿掃描方向，圖5（c）與（a）））和更寬（沿橫向，圖5（h）與（g）的熔池。功率和掃描速度）。相比之下，LE光束產(chǎn)生的熔池比CG光束產(chǎn)生的熔池更深（沿構建方向，圖5（f）與（b）），更長（沿掃描方向，圖5（e）與（a）））和更窄（沿橫向，圖5（i）與（g））。

圖 5 三種不同激光束形狀下的熔池幾何形狀比較。

除了三種不同橫截面所示的熔池尺寸差異外，熔池的局部曲率及其空間變化還取決于激光束形狀。由TE梁產(chǎn)生的相對較淺和較寬的熔池的底部幾乎是水平定向的（圖5（d））。相比之下，LE束產(chǎn)生的相對較深和狹窄的熔池的特征在于熔池后緣有明顯的空間可變曲率（圖5（f））。CG梁在TE和LE梁產(chǎn)生的熔池之間產(chǎn)生中間熔池形狀（圖5（b））。

3.1.3.激光束形狀對所得凝固晶粒結構的影響

盡管我們顯示了單個軌道的結果，但對于所有三種不同的光束形狀，在融合區(qū)內(nèi)觀察到不均勻的異質(zhì)晶粒結構，并且將存在于完整的構建中。似乎每個二維橫截面中的凝固晶粒結構由柱狀和“等軸”晶粒的混合物組成。然而，柱狀和“等軸”晶粒的數(shù)密度、尺寸、空間分布和相對體積分數(shù)隨光束形狀而顯著變化（圖6，7）。

圖6 水平（a-c）和橫向（d-f）橫截面中的凝固晶粒結構作為激光束形狀的函數(shù)。

圖7 作為不同光束形狀下中心縱向截面和相應晶體織構的凝固晶粒結構。

對于所研究的所有光束形狀，融合邊界附近的晶粒結構（如彎曲虛線所示）由細長的柱狀晶粒主導，如所有三個橫截面所示。例如，如橫截面所示（圖6（d）–（f）），柱狀顆粒從熔合邊界發(fā)出并朝向沉積物的彎曲頂面生長。這些晶粒（脫離融合邊界）可能欺騙性地看起來具有等軸形態(tài)。由于到目前為止在模擬中禁用了成核，因此這些等軸狀晶粒實際上是柱狀晶粒，它們起源于面外位置并延伸到測量平面。因此，水平截面（即柱狀和“等軸”晶粒的混合物）中晶粒結構的空間不均勻性與其他兩個橫截面的晶粒結構發(fā)展密切相關，后者也隨激光束形狀而顯著變化。

熔體流動的時間快照顯示了飛濺和剝蝕。

一方面，與其他兩種光束形狀（圖6（d）和（f））相比，相對較寬的TE光束激活了更多部分熔化的晶粒，以便沿構建方向進行外延生長（圖6（e））。另一方面，由于TE梁下的熔池幾何形狀相對平坦，活化晶粒之間的外延生長相對獨立（即平行）。相反，在CG和LE梁下，橫向橫截面中的晶粒很容易被在其側(cè)面發(fā)育的其他晶粒中斷。因此，在TE梁下，有更多的晶粒從熔池底部發(fā)育并沿構建方向延伸一定距離，然后通過測量水平面進行切片，表現(xiàn)為在熔合區(qū)中心通過成核和生長形成的等軸晶粒。

大多數(shù)情況下，側(cè)顆粒完全熔化并被困在過渡區(qū)域的流動中。原因是液體在凹陷邊緣循環(huán)，類似于淚滴。在傳統(tǒng)焊接中觀察到這種模式。其中流動在紅色（Vy < 0）和藍色（Vy > 0）之間交替兩次圍繞凹陷邊緣：一次在凹陷之前，指示遠離激光光斑的運動，最后一次指示流體從側(cè)面進入并連接形成過渡區(qū)域。這種圓周運動的直徑比熔體軌道寬度寬。

由于基板中只有一小部分晶粒受到單個激光軌跡的影響，因此我們僅觀察經(jīng)歷部分熔化和外延生長的晶粒。代表晶粒結構（受軌道影響）的{001}極圖分別顯示在圖8（a）、（b）和（c）中，分別顯示了CG、TE和LE光束。很明顯，具有最大強度的極點（極圖中的紅色斑點）的位置隨光束形狀而顯著變化，表明其對所得晶粒結構的影響。

圖8（A-C）不同激光束形狀下受熔池影響的晶粒（即晶粒發(fā)生部分熔融和外延生長）的晶體織構（用（001）極圖表示）。

竣工PBF （EBM） Ti-6Al-4V樣品的大面積EBSD顯示裂紋擴展，與沿重建β晶粒。

工藝引起的AM缺陷和微觀結構變化/變化會影響拉伸和韌性性能。然而，這些缺陷以及表面粗糙度和殘余應力會主導循環(huán)行為，掩蓋微觀結構效應，并且會通過提供有效的疲勞起始位點以及疊加的有害殘余應力來嚴重降低高周疲勞性能。

Kobryn&Semiatin在 LENS 加工（即 DED）上，Ti-6Al-4V 表現(xiàn)出超出鑄造性能的HCF 行為，并且處于鑄造 + HIP 和鍛造退火 Ti-6Al-4V，還揭示了方向依賴性疲勞壽命。更多近期工作在LENS加工的Ti-6Al-4V上記錄了缺陷主導的疲勞行為，表面裂紋和表面未熔化的顆粒產(chǎn)生斷裂，以及未熔化顆粒的次表面疲勞萌生。與散裝未熔化顆粒的次表面裂紋萌生相比，表面未熔化的顆粒將疲勞壽命縮短了一個數(shù)量級。然而，當通過優(yōu)化LENS工藝參數(shù)，沉積和模擬修復條件都可能產(chǎn)生超過鍛造、退火 Ti-6Al-4V 的下限且處于鑄造 + HIP 材料的上限區(qū)域的疲勞壽命。

來源：Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053

參考文獻：Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions, Nat. Mater. (2019); 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry, Wohlers Associates, Fort Collins, 2018.；Progress towards metal additive manufacturing standardization to support qualification and certification, JOM, 69 (3) (2017), pp. 439-455