重熔對多層多軌激光增材制造微觀結(jié)構(gòu)形成的影響

來源： 高能束加工技術(shù)及應用

來自印度理工學院布巴尼斯瓦爾分校的A. Swain等人在Transactions of the Indian Institute of Metals國際期刊上發(fā)表文章Effect of Remelting on Microstructure Formation for Multi-layer and Multi-track Laser Additive Manufacturing。

激光粉末床熔融 (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 或選擇性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 是一種增材制造技術(shù)，它通過激光在金屬或合金粉末床上逐層掃描，實現(xiàn)材料的熔化和固化，最終構(gòu)建復雜的三維結(jié)構(gòu)。這一過程具有極高的設(shè)計自由度，能夠制造傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的復雜零件，因此在航空航天、醫(yī)療和汽車等高端制造領(lǐng)域有著廣泛的應用。然而，在多層次的激光熔融過程中，由于每層熔融時都會對前一層產(chǎn)生再熔化作用，這使得最終形成的微觀結(jié)構(gòu)受到了局部溫度梯度、冷卻速度、物質(zhì)傳輸以及熔融和再固化等因素的影響。再熔化對于影響材料的晶粒結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸以及整體機械性能起到了重要作用。


論文概述
本文通過數(shù)值模型研究了多層、多道激光增材制造過程中再熔化對微觀結(jié)構(gòu)形成的影響。模型模擬了Al—10% Cu合金的熔池演變、物質(zhì)傳輸、晶粒形核和生長，重點分析了再熔化如何影響不同層厚度和道間距下的晶粒結(jié)構(gòu)。研究表明，再熔化會增加晶體密度，尤其是在較小層厚度條件下，晶粒的生長更加顯著；較大的層厚度則減少了再熔化，導致較少的晶粒生長。橫向平面的模擬展示了在不同道間距條件下晶體結(jié)構(gòu)的變化，較小的道間距會導致更多的柱狀晶體，而較大的道間距則形成更多等軸晶體。本文模型的預測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致，表明再熔化在層厚度和道間距的變化下對最終微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響，并且該模型為優(yōu)化激光增材制造工藝提供了重要的參考依據(jù)。

圖 1 和圖 2 分別顯示了縱向和橫向平面的熔池形狀、Cu 濃度和微觀結(jié)構(gòu)。圖 1a 和 2a 顯示了熔化過程中的液體餾分輪廓。從這兩個圖中可以觀察到熔池的形狀。圖 1b 和 2b 顯示了 Cu 濃度等值線，因此顯示了凝固區(qū)域中的偏析模式。圖 1c 和 2c 顯示了用于表示晶粒結(jié)構(gòu)的晶粒數(shù)等值線。

圖1. t = 8.4 ms 時的縱向平面仿真結(jié)果：a 熔池形狀、b Cu 濃度等值線和 c 微觀結(jié)構(gòu)。

圖2. t = 2.67 ms 時的橫向平面模擬結(jié)果：a 熔池形狀、b Cu 濃度等值線和 c 微觀結(jié)構(gòu)。

圖3 顯示了 0.24 mm 和 0.08 mm 層厚的濃度等值線和微觀結(jié)構(gòu)于較大的層厚，重熔較少，因此每層都可以看到相似的濃度模式。第二層顯示了與第一層相比，較大晶粒的成核和生長。相反，對于較小的層厚，有相當大的重熔。第一層中的晶粒被重新熔化，隨后在第二層的凝固過程中生長，從而在兩層中產(chǎn)生連續(xù)的柱狀晶粒。

圖3. 完全凝固后 （t = 12 ms） 層厚為 0.24 mm （a， b） 和 0.08 mm （c， d） 的濃度輪廓和微觀結(jié)構(gòu)。

通過繪制不同層厚值的濃度和晶粒密度的縮放標準差 （SSD） 來比較再熔化區(qū)域中濃度和晶粒密度的變化如圖4所示。

圖4. 層厚對重熔區(qū)SSD和b晶粒密度的影響。

本文提出的數(shù)值模型成功預測了多層、多道激光熔化過程中的熔池演變及微觀結(jié)構(gòu)的形成。再熔化對晶粒密度和微觀結(jié)構(gòu)的形成起到了關(guān)鍵作用，較小的層厚度和道間距均會顯著提高再熔化程度，影響最終的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能。這些研究結(jié)果為優(yōu)化激光增材制造工藝提供了重要的理論支持，未來可進一步探討更復雜的激光熔化過程。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s12666-023-03213-8