中外六校聯(lián)合頂刊：新型激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦合金晶粒細(xì)化和同步增強(qiáng)增韌

來(lái)源：增材制造碩博聯(lián)盟

南京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、印度理工學(xué)院、日本島根大學(xué)、江蘇大學(xué)、倫敦瑪麗女王大學(xué)的研究人員聯(lián)合在International Journal of Machine Tools and Manufacture 國(guó)際雜志上發(fā)表文章 Grain refinement and columnar-to-equiaxed transition of Ti6Al4V during additive manufacturing via different laser oscillations。

傳統(tǒng)的增材制造會(huì)產(chǎn)生粗柱狀晶粒，影響增材制造鈦合金的力學(xué)性能。為了改善Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，提出了一種新的集成增材制造技術(shù)——振蕩激光熔化沉積，包括線(xiàn)性、圓形、8形和無(wú)限形。結(jié)果表明，激光振蕩可以誘導(dǎo)晶粒細(xì)化和柱向等軸轉(zhuǎn)變。

Graphical abstract

在激光無(wú)限振蕩下，樣品的β晶粒尺寸在單徑區(qū)減小了54.24%，在重疊重熔區(qū)減小了42.55%。激光無(wú)限振蕩后，試樣在平行和垂直方向的極限拉伸強(qiáng)度分別提高了16.95%和32.37%，伸長(zhǎng)率分別提高了83.60%和13.77%。(10-10)和(11-22)的各向異性也被顯著消除。溫度變化和熱場(chǎng)演化表明，復(fù)合振蕩改變了流體的流速取向，降低了溫度梯度，促進(jìn)了等軸晶的形核。此外，還揭示了不同激光振蕩的強(qiáng)化機(jī)理。因此，振蕩激光熔融沉積技術(shù)可以成為克服增材制造關(guān)鍵瓶頸的新途徑。

圖1 振蕩激光熔化沉積系統(tǒng)

圖2 不同振蕩激光熔化沉積原理圖及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

在本研究中，研究了一種新型的集成增材制造技術(shù)——振蕩激光熔化沉積，并在線(xiàn)性、圓形、8形和無(wú)限四種激光振蕩下制備了Ti6Al4V。分析了不同激光振蕩對(duì)合金顯微組織演變和力學(xué)性能的影響。

圖3 4種振蕩不同區(qū)域的EBSD分析和重構(gòu)先驗(yàn)β顆粒

圖4 不同振蕩激光熔化沉積試樣的力學(xué)性能

本文主要研究結(jié)論如下：

(1)隨著激光振蕩的增加，柱狀晶粒變得更細(xì)，并且激光振蕩越復(fù)雜，晶粒細(xì)化和柱向等軸轉(zhuǎn)變(CET)的作用越明顯。無(wú)限振蕩的β晶粒尺寸在單徑區(qū)減小了54.24%，在重疊重熔區(qū)減小了42.55%。無(wú)限振蕩中HAGB含量在單軌區(qū)從80.96%增加到87.29%，在重疊區(qū)從79.47%增加到89.63%。

(2)加入激光振蕩后，材料的力學(xué)性能有所提高，尤其是無(wú)限振蕩時(shí)。拉伸強(qiáng)度在平行和垂直方向分別提高了16.95%和32.37%，延伸率分別提高了83.60%和13.77%。特別是，無(wú)限的激光振蕩產(chǎn)生了良好的抗拉強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。

(3)激光振蕩可以降低(10-10)和(11-22)的織構(gòu)強(qiáng)度，消除力學(xué)性能的各向異性，特別是無(wú)限振蕩。

(4)討論了溫度變化和熱場(chǎng)演化。隨著激光振蕩的增加，流體的流動(dòng)速度幅度減小，速度方向發(fā)生變化，特別是在8形振蕩和無(wú)限振蕩中。激光振蕩越復(fù)雜，熔池內(nèi)的流動(dòng)變化越劇烈。熱梯度中的攪拌作用導(dǎo)致晶粒細(xì)化和等軸晶粒的形成。

圖5 不同t值下，基板上方0.2mm切割平面溫度場(chǎng)的不同視圖

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104031