鋁合金激光同軸熔絲增材制造的多晶形態(tài)演變機(jī)理

作者：高轉(zhuǎn)妮，占小紅*，師慧姿，黎一帆，李響，劉志強(qiáng)，王磊磊*

近期，南京航空航天大學(xué)激光焊接與再制造研究所博士生高轉(zhuǎn)妮（第一作者）、占小紅教授（通訊作者）、王磊磊副研究員（通訊作者）聯(lián)合無錫銳科激光團(tuán)隊(duì)在材料成形領(lǐng)域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》（TOP期刊，IF=6.3）上發(fā)表了題為“Mechanism of columnar to equiaxed to lamellar grain transition during wire-laser directed energy deposition 205 C aluminum alloy utilizing a coaxial head: Numerical simulation and experiment”的研究論文。

鋁合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，在航空航天制造領(lǐng)域中備受青睞。激光同軸熔絲增材制造（LCWAM）采用光束整形技術(shù)，以絲材為沉積材料逐層熔化堆積，相比傳統(tǒng)旁軸送絲技術(shù)，具有高沉積速率、成形柔性程度高、前后運(yùn)動(dòng)成形質(zhì)量一致等優(yōu)勢(shì)。然而，由于同軸送絲具有“光包絲”的特殊光絲作用形式，增材過程的產(chǎn)熱傳熱形式發(fā)生顯著改變，且鋁合金對(duì)激光具有較強(qiáng)的反射率和導(dǎo)熱率，導(dǎo)致目前特殊光絲作用形式下鋁合金晶粒生長形態(tài)及演化機(jī)理尚不清晰，這嚴(yán)重限制了鋁合金激光同軸熔絲增材制造的推廣與應(yīng)用。

圖1 激光同軸熔絲增材制造技術(shù)原理圖

研究發(fā)現(xiàn)
1) 晶粒形態(tài)分布

當(dāng)熱輸入（107.1 J/mm）與基板預(yù)熱溫度較低（160°C）時(shí)，在沉積層底部出現(xiàn)等軸細(xì)晶區(qū)。當(dāng)熱輸入為166.7 J/mm和基板預(yù)熱溫度為160°C~230°C時(shí)，沉積層微觀結(jié)構(gòu)主要由頂部層狀晶、中部等軸晶和底部柱狀晶組成。在低熱輸入（107.1 J/mm）、高熱輸入（194.4 J/mm）和高基板預(yù)熱溫度（300°C）下，沉積層頂部未出現(xiàn)層狀晶。在194.4 J/mm熱輸入下，沉積層內(nèi)部表現(xiàn)出由底部柱狀晶和頂部等軸晶組成的典型增材組織特征。

圖2 不同熱輸入下沉積層橫截面上的微觀組織特征

圖3 等軸細(xì)晶和層狀晶形成機(jī)理

2) 析出相與元素分布

在107.1 J/mm熱輸入下，在等軸細(xì)晶區(qū)有少量Al2Cu第二相析出，析出相體積分?jǐn)?shù)為13.75%。在166.7 J/mm熱輸入下，層狀晶區(qū)的析出相含量相對(duì)較少，析出相體積分?jǐn)?shù)為6.52%，沉積層從頂部向下，在晶界附近有更多第二相析出，沉積層底部析出相體積分?jǐn)?shù)為9.66%。

圖4 不同熱輸入下沉積層SEM圖像

3) 溫度場(chǎng)計(jì)算

隨著熱輸入增大，386.4°C對(duì)應(yīng)的雙耳形等溫面長度逐漸減小，寬度逐漸增大，逐漸向基體兩側(cè)靠攏。隨著基板預(yù)熱溫度增加，呈前短后長半橢球形狀的357.8°C等溫面尺寸逐漸增大，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到230°C時(shí)，等溫面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)殡p耳形。隨著基板預(yù)熱溫度和熱輸入增加，沉積層峰值溫度和凝固速率（R）增加，而溫度梯度（G）和冷卻速率（G×R）減小。熱輸入的增加導(dǎo)致沉積層吸收熱量的能力變得更強(qiáng)，這是峰值溫度增加的原因。

圖5 不同工藝參數(shù)下沉積過程中部的溫度場(chǎng)和等溫面分布

4) 微觀組織模擬

當(dāng)熱輸入較低（107.1 J/mm）時(shí)，在凝固初始階段，在熔池邊緣出現(xiàn)低溫液體邊界層。高熔點(diǎn)金屬化合物Al3Zr作為非均勻形核質(zhì)點(diǎn)參與液體邊界層內(nèi)的晶粒形核生長過程，最終在熔池的邊界上形成等軸細(xì)晶粒區(qū)。在隨后熔池凝固過程中，通過CET轉(zhuǎn)變完成整個(gè)沉積層的形核生長。此外，熔池內(nèi)部存在柱狀晶到等軸晶再到層狀晶的演變過程，柱狀晶和等軸晶的初始生長階段表現(xiàn)出同步生長和相互競(jìng)爭(zhēng)，具有CET轉(zhuǎn)變特點(diǎn)。隨著凝固過程的進(jìn)行，沉積層頂部的高溫度梯度值和相對(duì)溫和的液體對(duì)流為層狀晶的形核生長提供了理想的環(huán)境。因此，在沉積層中部等軸晶粒的形核生長過程中，層狀晶開始在沉積層頂部等軸晶上方進(jìn)行形核生長，并沿＜110＞方向向沉積層頂部平行生長前進(jìn)。

圖6 不同熱輸入下沉積層微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

研究結(jié)論

(1) 當(dāng)熱輸入為166.7 J/mm和基板預(yù)熱溫度為160°C~230°C時(shí)，沉積層主要由熔池底部的柱狀晶、中上部的等軸晶和頂部的層狀晶組成，層狀晶主要出現(xiàn)在柱狀晶或等軸晶最前端，呈現(xiàn)多晶平行于局部熱流方向生長。在較低的熱輸入和基板預(yù)熱溫度下，在沉積層底部出現(xiàn)等軸細(xì)晶區(qū)。

(2) 位于沉積層頂部的層狀晶平均硬度值高于等軸晶，位于沉積層底部的等軸細(xì)晶平均硬度值略高于柱狀晶。

(3) 隨著溫度梯度和冷卻速率降低，一次枝晶臂逐漸粗化，一次枝晶間距和二次枝晶間距增大。模擬結(jié)果表明，柱狀晶、等軸晶和層狀晶之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118208