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(jié)構(gòu)控制（2）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)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(duì) 316 L 不銹鋼進(jìn)行單軌激光粉末床融合加工期間柱狀到等軸微觀結(jié)構(gòu)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(guān)。本文為第二部分。

3.2.晶粒結(jié)構(gòu)（外延晶粒生長和成核）隨激光束形狀的演變
3.2.1.橫向橢圓（TE）梁下的凝固晶粒生長

通常，發(fā)現(xiàn)TE束比LE或CG束產(chǎn)生更多的成核事件。與非有核情況類似，三維晶粒結(jié)構(gòu)的演變也體現(xiàn)在水平（圖9（a），（c）和（e）），中心縱向（圖9（b），（d）和（f））和橫向（圖9（g）-（j））橫截面中。為了區(qū)分基底中的先前晶粒和融合區(qū)成核形成的新晶粒，后者根據(jù)反極圖（IPF）著色，其邊界為深紅色。從水平橫截面來看，有核晶粒似乎傾向于在熔池中心線附近形成，并隨著其后緣的遷移而增長。從中央縱向和橫向橫截面開始，這些晶粒沿構(gòu)建方向（z）優(yōu)先生長。我們注意到，通過成核形成的晶粒在給定的二維橫截面中可能表現(xiàn)出柱狀和等軸形貌，如圖9（j）所示。

圖 9 在316L-SS的單激光軌跡AM期間晶粒結(jié)構(gòu)的演變，包括通過部分熔化的先前晶粒（淺藍(lán)色）的外延生長和有核晶粒的生長（在IPF方案中著色）形成柱狀晶粒。激光束強(qiáng)度分布：TE（橫向橢圓）。

3.2.2.激光束形狀對(duì)熔池成核和生長的影響

圖10比較了三種不同激光束形狀的凝固晶粒結(jié)構(gòu)。融合區(qū)新晶粒的成核和生長中斷了相鄰晶粒的外延生長。在圖11中，我們對(duì)有核晶粒進(jìn)行顏色編碼，以將它們與基質(zhì)中的先前晶粒區(qū)分開來。很明顯，新晶粒的數(shù)量密度、大小、形態(tài)和空間分布隨激光束形狀而變化很大。與TE束相比，CG束（65）和LE束（64）的成核晶粒數(shù)量幾乎相等，而TE束的成核事件（99）約為1.5倍（見圖14（a）），這表明TE束具有比其他兩個(gè)束更高的成核傾向。

圖 10 所得晶粒結(jié)構(gòu)作為激光束形狀的函數(shù)。

圖 11 融合區(qū)成核形成的晶粒的數(shù)量密度和空間分布。X：掃描方向，Y：橫向，Z：構(gòu)建方向。透明的灰色平面表示激光掃描前的基板表面。

值得注意的是，與TE束相比，具有CG束的有核晶粒（圖11（a））相對(duì)粗糙且占據(jù)更大的體積。原因有二：首先，CG的成核頻率低于TE束，前者的成核事件總數(shù)較少;其次，CG梁的熔池比TE梁更深。這兩個(gè)因素共同為有核晶粒提供了更多的時(shí)間和空間，使其在來自相鄰有核晶粒的干擾較�。ㄍㄟ^硬沖擊）的情況下生長，從而使CG光束的有核晶粒結(jié)構(gòu)更粗糙。

分析了基底中受熔池影響的先前晶粒和通過成核形成的新晶粒的CG，TE和LE束。相應(yīng)的{001}極圖如圖12（a）、（b）和（c）所示。當(dāng)激光束形狀從CG、TE變?yōu)長E時(shí)，織構(gòu)指數(shù)表征的織構(gòu)強(qiáng)度在0.407（0.421）、0.292（0.307）和0.478（0.549）之間變化。與第3.1.3節(jié)中禁用成核的情況相比，新晶粒的形成使CG，TE和LE的織構(gòu)強(qiáng)度分別降低了3.33%，4.89%和12.9%�？棙�(gòu)強(qiáng)度降低的差異證明光束整形會(huì)誘發(fā)先前晶粒和有核晶粒之間的生長競爭。有核晶粒的晶體取向是隨機(jī)選擇的，這削弱了紋理的強(qiáng)度。有核晶粒的生長與基底中部分熔化的先前晶粒的外延生長競爭，從而降低了它們的細(xì)長生長，從而降低了整體質(zhì)地。

圖 12 （A-C）在不同激光束形狀下受熔池影響的晶粒（即晶粒在熔融區(qū)發(fā)生部分熔融和外延生長或在融合區(qū)成核生長）的晶體紋理（用極圖{001}表示）。紋理指數(shù)用于量化紋理的強(qiáng)度。

4.討論

凝固晶粒生長模擬表明，激光束整形對(duì)凝固晶粒結(jié)構(gòu)有顯著影響，是控制L-PBF AM或任何其他基于能量束的AM技術(shù)中微觀結(jié)構(gòu)的可行策略。不同光束形狀下生長形態(tài)的差異可以使用基于熱梯度（G）和液固界面速度（R）的傳統(tǒng)定義的基于幾何的論證來解釋。

R=0.1時(shí)PBF（激光）、PBF（EBM）和電線（DED）的應(yīng)力（S）與失效周期（N）（S-N）數(shù)據(jù)匯總。顯示了鑄造、鍛造加工數(shù)據(jù)的金屬材料性能開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS）數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行比較。

最近的一篇綜述總結(jié)了PBF（激光）加工、PBF（EBM）加工和DED加工Ti-6Al-4V的應(yīng)力控制疲勞行為，以及表面粗糙度（例如，構(gòu)建與加工）和缺陷（例如，構(gòu)建與HIP）的影響與使用加工表面測試的鑄造和鍛造Ti-6Al-4V相比。上圖包括來自該工作的數(shù)據(jù)除了最近對(duì)PBF（EBM）Ti-6Al-4V，在應(yīng)變控制下進(jìn)行，以捕捉迄今為止觀察的本質(zhì)。

Körner等人使用晶格玻爾茲曼法（LBM），假設(shè)電子束熔化過程可以用2D表示。這種方法的一大障礙是考慮溫度時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的數(shù)值不穩(wěn)定性。Körner使用多分布函數(shù)方法在流體密度不強(qiáng)烈依賴溫度的假設(shè)下減少這些限制。該方法已在二維中應(yīng)用于研究單層和逐層固結(jié)，并顯示了粉末填料對(duì)熔體特性的重要性。他們對(duì)不良球效應(yīng)的觀察歸因于當(dāng)?shù)氐姆勰┡帕小Ｗ罱�，在Ref中添加了一個(gè)二維蒸汽反沖壓力模型，以改進(jìn)熔體深度預(yù)測。馬蘭戈尼效應(yīng)被忽視了。使用不包括后坐力、馬蘭戈尼或蒸發(fā)效應(yīng)的 3D 模型來建立適合減少構(gòu)建時(shí)間和成本的工藝策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率電子束應(yīng)用。

用于開發(fā)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增材制造合金的集成多尺度方法。

盡管發(fā)現(xiàn)了與方向相關(guān)的疲勞行為，并且加工和拋光表面也實(shí)現(xiàn)了一些性能改進(jìn)，但與其他數(shù)據(jù)相比，性能非常差被認(rèn)為是由工藝引起的缺陷造成的。參考文獻(xiàn)表明，在優(yōu)化Ti-6Al-4V的PBF（激光）工藝后，通過加工竣工表面獲得的疲勞數(shù)據(jù)得到了顯著改善，支持了這一假設(shè)。精細(xì)α微觀組織導(dǎo)致鑄造+HIP材料的疲勞性能優(yōu)于MMPDS參考數(shù)據(jù)，而馬氏體組織的性能低于MMPDS參考數(shù)據(jù)。在650°C/3 h下進(jìn)行熱處理略微改善了已建成粗糙表面的疲勞行為，并且（粗糙）表面似乎再次開始開裂。在650°C/4 h下進(jìn)行熱處理以及機(jī)加工/電火花加工/噴丸/噴砂表面產(chǎn)生的疲勞性能接近鑄造+ HIP MMPDS數(shù)據(jù)的疲勞性能。

4.1.G和R隨激光束形狀的變化

在本研究中，為了了解G和R對(duì)凝固形貌（柱狀與等軸）的影響，在給定時(shí)間快照下，計(jì)算了從液相線和固相線之間的糊狀帶獲取的模擬網(wǎng)格點(diǎn)的局部G和R。然后將提取的G和R值繪制在316L-SS的參考凝固圖上。圖13顯示了每種激光束形狀的316L-SS參考凝固圖上G和R的時(shí)間演變。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色對(duì)應(yīng)于時(shí)間快照。將所有提取的G和R對(duì)包圍起來的邊界繪制并疊加在參考凝固圖上。凝固圖上定義的區(qū)域?qū)��?yīng)于晶粒形態(tài)：完全等軸（低 G、高R）、混合或全柱狀（高G、低R）。

圖 13 三種不同激光束形狀下溫度梯度G和液固界面速度R的時(shí)間變化。

對(duì)凝固圖上G-R 對(duì)分布的檢查表明，大多數(shù)G-R 對(duì)在激光軌跡開始時(shí)落入全柱狀區(qū)域，并且隨著軌道的進(jìn)行，它們逐漸移動(dòng)到混合區(qū)域，越來越接近完整的等軸區(qū)域。G-R動(dòng)態(tài)變化的這種趨勢也可以從G-R邊界下部的遷移中觀察到在這兩個(gè)不同的時(shí)間時(shí)刻。可以清楚地看到，帶有TE光束的G-R比其他兩個(gè)光束更早地進(jìn)入混合區(qū)域。此外，TE光束混合區(qū)域中的G-R對(duì)數(shù)量大于其他兩個(gè)光束。為了量化這一趨勢，我們進(jìn)一步計(jì)算了位于混合區(qū)域內(nèi)的G-R 點(diǎn)數(shù)量的百分比。當(dāng)t=83μs時(shí)，CG、TE和LE光束位于混合區(qū)域內(nèi)的G-R點(diǎn)的百分比分別為0.0%、6.9%和0.5%；當(dāng)t=243μs時(shí)，這些值分別為2.3%、5.6%和1.9% 對(duì)于CG、TE和LE波束。因此，TE束的成核發(fā)生得更早、更頻繁，如下圖14（a）所示。

圖 14 （a）：三種不同光束形狀下成核事件總數(shù)的時(shí)間變化，（b）：在給定時(shí)間時(shí)刻比較三種不同光束形狀的G-R，顯示G和R與TE光束更接近全等軸區(qū)域，因此成核傾向高于其他兩個(gè)光束。（c）：成核過冷的影響ΔTN關(guān)于總成核事件和（d）凝固圖。括號(hào)中的數(shù)字表示成核事件的總數(shù)。

圖14（a）表明TE束的成核發(fā)生得更快，并且比其他兩種光束形狀更頻繁。TE束的成核傾向較高可歸因于以下事實(shí)：在給定的時(shí)間時(shí)刻，TE束下方G-R邊界的下部比其他兩個(gè)光束更接近等軸區(qū)域（圖14（b））。

4.2.成核機(jī)理分析

凝固微觀結(jié)構(gòu)從平面、蜂窩、柱狀到等軸樹枝狀不等，G減小，R增大，相當(dāng)于G/R比值減小。如圖15（a）所示。

圖 15 成核機(jī)理的解釋：（a）顯示固液界面速度R沿熔池邊界的空間變化的示意圖，（b）顯示溫度梯度G沿熔池邊界的空間變化的示意圖，（c-e）：不同光束形狀的熔體軌跡水平二維切片（在基板表面），顯示溫度等值線（在熔化溫度和1600 K下）和固/液界面速度R。

為了了解光束形狀的影響，我們遵循了與圖15（a-b）類似的分析，并繪制了兩個(gè)代表性的等溫線，作為熔體軌道基體表面的CG，TE和LE輪廓的二維橫截面（圖15（c），（d）和（e））。我們觀察到，TE在這兩條等高線之間的中心線上具有最大的距離分離（這當(dāng)然適用于其他輪廓線選擇），因此熔池背面的G較小，R值較大（圖15（d））。基于這兩個(gè)幾何參數(shù)，TE具有最寬的過冷區(qū)（低G和高R或等效的低G/R），因此成核傾向高于其他兩個(gè)光束。此外，通過觀察從底部觀察熔池上有核晶粒的分布（見圖16），很明顯，新晶粒優(yōu)先形成在熔池的背面和底部，阻擋了柱狀樹突，并且在TE束下的數(shù)量密度最高（圖16（b））。此外，圖15（c）和（e）在G和R方面的差異可以忽略不計(jì)，因此表明CG和LE束在成核傾向方面將給出相似的響應(yīng)。

圖 16 分析不同光束形狀的優(yōu)先成核位點(diǎn)的空間分布（相對(duì)于從底部看的紅色熔池）

4.3.光束整形策略對(duì)不同工藝參數(shù)的依賴性

到目前為止，我們的結(jié)果基于固定的激光功率和掃描速度。我們希望我們的結(jié)論能夠推廣到任何激光功率和掃描速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)不同光束形狀之間微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)差異的是由此產(chǎn)生的熔池幾何形狀。

圖17（a）中給出的結(jié)果證實(shí)了與激光功率和掃描速度無關(guān)的三個(gè)共同特征：

(1)TE束的成核開始時(shí)間比其他兩種波束形狀（CG和LE）更早;

(2)TE束的成核事件數(shù)量增加速度也比其他兩種波束形狀更快;

(3)TE 光束產(chǎn)生最多的成核事件。

圖 17 （a）在激光功率為350 W、掃描速度為0.75 m/s的情況下，關(guān)閉激光之前成核事件總數(shù)的時(shí)間變化。括號(hào)中的數(shù)字表示成核事件的總數(shù)。

4.4.激光源關(guān)閉后成核機(jī)制的變化

當(dāng)激光器關(guān)閉時(shí)，熔池中的成核機(jī)制發(fā)生變化，從而不再僅由光束形狀幾何形狀驅(qū)動(dòng)。圖18證實(shí)，CG和LE光束比TE光束產(chǎn)生更多的成核事件，超過激光關(guān)斷。CG和LE光束產(chǎn)生比TE光束更深的熔池（見圖19），這是光束和掃描方向正交排列的直接結(jié)果。在沒有任何輸入熱源的情況下，熔池繼續(xù)失去熱量，熱過冷度增加。由于對(duì)于CG和LE情況，凝固前沿需要更多的時(shí)間到達(dá)表面，因此熔池的熱過冷度接近平均過冷度ΔTN，這觸發(fā)了更多的成核事件。因此，對(duì)于給定的平均熱過冷度ΔTN，柱狀到等軸轉(zhuǎn)變?cè)诟�深的熔池中更為有利，即更大的熔池。這意味著，對(duì)于TE和其他梁形狀（如平頂），往往會(huì)產(chǎn)生淺熔池，軌道末端的微觀結(jié)構(gòu)將主要為柱狀。

圖 18 兩組加工參數(shù)（a）關(guān)閉激光后成核事件總數(shù)的時(shí)間變化。

圖 19 熔池幾何形狀與激光束形狀的函數(shù)關(guān)系。

4.5.可變性和不確定性的量化

應(yīng)該注意的是，上述關(guān)于激光束整形策略的結(jié)論是基于在具有特定初始結(jié)構(gòu)的基板上構(gòu)建的一小段軌道的結(jié)果。為了量化由于不同的基板晶粒結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的研究結(jié)果的可變性和不確定性，我們進(jìn)行了兩次額外的模擬，每次模擬都從統(tǒng)計(jì)上不同的基板晶粒結(jié)構(gòu)開始，與上述模擬中使用的激光功率為350 W和掃描速度為1.8 m / s的情況不同。

4.6.模擬與實(shí)驗(yàn)的比較

我們對(duì)兩組加工參數(shù)的結(jié)果表明，當(dāng)激光打開時(shí)，TE光束的成核開始比其他兩個(gè)光束（CG或LE）更早，更頻繁。例如，對(duì)于第一組加工參數(shù)（功率 300 W，速度 1.8 m/s），CG、TE 和 LE 剖面的有核晶粒數(shù)分別為 37、88 和 29（圖 14（a））;對(duì)于第二組（功率 350 W，速度 0.75 m/s），這些數(shù)字分別表示 CG、TE 和 LE 配置文件的 901、1355 和 822（圖 17（a））。

4.7.模型的局限性

這里值得指出的是，由于存在極高的溫度梯度（即大約 106 ~ 109K/m）。實(shí)際上，對(duì)于所研究的所有三種強(qiáng)度曲線（即CG，TE和LE），模擬研究中使用的兩組加工參數(shù)（即激光功率300 W，掃描速度1.8 m / s和激光功率350 W，掃描速度0.75 m / s）觀察到柱狀樹枝狀凝固。形成等軸晶粒的另一種可能機(jī)制是枝晶尖端碎片上的異質(zhì)成核。這可能是由于枝晶側(cè)臂相對(duì)狹窄的根部的憲法重新熔化造成的;然后可以將分離的側(cè)臂輸送到散裝液體中，作為有利的成核位點(diǎn)。準(zhǔn)確預(yù)測這種成核機(jī)制需要正確的模型輸入?yún)��?shù)，這在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證非常具有挑戰(zhàn)性。然后，我們的方法是通過增加CA算法中的成核密度并研究由此產(chǎn)生的對(duì)生長形態(tài)的影響來有效地聚集所有成核原因。

5.總結(jié)

采用耦合ALE3D-CA方法系統(tǒng)研究了激光束形狀對(duì)316L不銹鋼（SS）單軌激光粉末床熔融（L-PBF）AM過程中熔池幾何形狀的時(shí)間演變以及三維（3D）凝固晶粒結(jié)構(gòu)（尺寸、形貌和晶體紋理）的影響。詳細(xì)發(fā)現(xiàn)包括：

(1)與CG（圓形高斯）光束相比，TE（橫向橢圓）光束產(chǎn)生的熔池分別沿掃描、橫向和構(gòu)建方向具有更短、更寬和更淺的尺寸。對(duì)于LE（縱向橢圓）輪廓，情況正好相反。

(2)在激光跟蹤過程中熔池的連續(xù)運(yùn)動(dòng)通過基材中部分熔化的先前晶粒的外延生長促進(jìn)柱狀晶粒的形成。柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的特征是熔池活化（即部分熔化）的晶粒數(shù)量及其生長方向，這些晶粒由熔池尺寸和幾何形狀控制。柱狀晶粒的生長方向遵循從熔池到基體的最大熱流方向，因此在凝固過程中相對(duì)于其在熔池后緣的局部位置動(dòng)態(tài)變化。

模擬的熔池形狀疊加在柱狀晶粒樣品的光學(xué)圖像上。（a）多個(gè)熔池邊界重疊，以顯示池與細(xì)長熔池形狀之間的重疊。（b）以虛線框?yàn)榻绲膮^(qū)域的近距離視圖，等溫線表示在該點(diǎn)形成的最大水池幾何形狀。（c） XZ平面的橫截面，具有與可觀測池邊界相對(duì)應(yīng)的重疊固相線等溫線。

(3)LE光束形狀導(dǎo)致柱狀顆粒的紋理最強(qiáng)，其次是CG和TE顆粒。

(4)當(dāng)激光開啟時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)成核傾向與光束形狀幾何形狀之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性：成核事件的數(shù)量隨著熔池寬度的增加而增加。TE剖面產(chǎn)生最大的成核事件。CG和LE配置文件給出的結(jié)果幾乎相似。研究結(jié)果與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致，即TE剖面在更大的參數(shù)空間上產(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。

（a-h）熔化單個(gè)點(diǎn)期間的瞬態(tài)溫度和速度場，初始底溫度為1273 K。（a–d） 加熱期間 0.0-0.25 ms （e–h） 點(diǎn)的冷卻。所有圖像都使用相同的溫度等值線和速度矢量刻度，如圖頂部所示。

(5)成核機(jī)理由熔池的幾何特征決定：TE具有最寬的過冷區(qū)（小熱梯度（G）和大液固界面速度（R），因此G/R�。┖捅菴G和LE束更高的成核傾向。

(6)當(dāng)激光器關(guān)閉時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)成核傾向與熔池深度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性：成核傾向隨著熔池深度的增加而增加。因此，TE曲線產(chǎn)生的成核事件最少。

(7)將熔池幾何形狀與微觀結(jié)構(gòu)控制相關(guān)聯(lián)的最后兩個(gè)發(fā)現(xiàn)可以推廣到激光功率和掃描速度的任意組合。

(8)對(duì)參考凝固圖上G和R的相對(duì)位置和時(shí)間遷移的定量分析與CA結(jié)果密切相關(guān)，即使凝固速度很快且不處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(9)在解釋二維截面平面中等軸晶粒的形成時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎（即使對(duì)晶粒取向進(jìn)行EBSD表征），因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)等軸形態(tài)在沒有成核事件的情況下出現(xiàn)，當(dāng)晶粒從平面外生長時(shí)�；�于物理的三維微觀結(jié)構(gòu)模型可以規(guī)避在三維微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)表征中遇到的這種不確定性。

該方法和結(jié)果可以通過調(diào)制激光束強(qiáng)度和時(shí)間分布來促進(jìn)L-PBF AM期間的有效的現(xiàn)場特定微觀結(jié)構(gòu)控制。此處顯示的相對(duì)簡單橢圓形狀的結(jié)果可以幫助建立更復(fù)雜梁形狀的模型，從而通過晶粒結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化材料和機(jī)械性能。雖然我們的重點(diǎn)是連續(xù)激光在AM中的應(yīng)用，但激光關(guān)閉時(shí)的瞬態(tài)分析對(duì)于脈沖模式激光應(yīng)用和理解“skywriting”掃描策略中軌道末端的微觀結(jié)構(gòu)行為是有用的。

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(xiàn)：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