增材制造金屬材料微觀結(jié)構(gòu)控制

來源： 激光天地

導(dǎo)讀：在增材制造（AM）金屬材料中，加工和微觀結(jié)構(gòu)之間存在基本的相互關(guān)系，這些相互關(guān)系決定著這些材料的性能以及潛在性能的提高或降低。

一般來說，微觀結(jié)構(gòu)演化的模擬假設(shè)輸入能量足以熔化所有進(jìn)入的材料。對(duì)于粉末吹制方法，研究集中于作為粉末空間分布函數(shù)的入射功率的衰減，但仍需做大量工作來預(yù)測(cè)液體池中的粉末相互作用，尤其是當(dāng)飛濺區(qū)附近的局部過熱度較低時(shí)(例如，在移動(dòng)的固體/液體界面附近)在粉末床方法中，粉末尺寸分布、形態(tài)和表面特征以空間方式影響功率吸收。盡管在粉末床和粉末吹制方法中都有預(yù)測(cè)材料演變，但粉末特性的影響仍然是模擬實(shí)驗(yàn)中一個(gè)探索不足的方面。

如下圖舉例說明，對(duì)于打印材料，材料不連續(xù)性包括多孔性、未熔化或部分熔化的顆粒(a)，相鄰?fù)ǖ阑蛳惹皩又�間的分層，以及與先前沉積的層或通道缺乏融合(b)。這些特征總是影響機(jī)械性能，例如單軸拉伸延展性、斷裂韌性和疲勞的測(cè)量。大多數(shù)增材制造研究都強(qiáng)調(diào)固有的近凈形優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)相應(yīng)地淡化了凝固后基于變形的任何過程，例如鍛造，軋制和擠壓。如果沒有后處理步驟（例如熱等靜壓），則AM過程中產(chǎn)生的任何材料間斷很可能會(huì)持續(xù)存在。在大多數(shù)應(yīng)用中，消除這些材料間斷是合乎需要的。

增材制造材料中形成缺陷的示例

殘余應(yīng)力作為一個(gè)隱藏的、經(jīng)常被忽略的微觀結(jié)構(gòu)變量被包括微觀結(jié)構(gòu)影響因素內(nèi)。增材制造工藝參數(shù)、材料的熱物理性質(zhì)、零件的幾何形狀和形狀以及操作熱傳遞機(jī)制控制殘余應(yīng)力場(chǎng)的大小和形狀。即當(dāng)材料受熱或熔化時(shí)膨脹，冷卻時(shí)收縮，就形成了殘余應(yīng)力。每個(gè)新表面的循環(huán)膨脹或收縮在每個(gè)層的頂部建立了殘余拉伸應(yīng)力狀態(tài)，其被壓縮應(yīng)力狀態(tài)包圍。

AM結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力。（a）AM中殘余應(yīng)力的起源。（b）殘余應(yīng)力同時(shí)顯示拉伸狀態(tài)和壓縮狀態(tài)。（c）Ti-6Al-4V和Inconel 625中測(cè)得的殘余應(yīng)力。（d）由殘余應(yīng)力引起的變形。（ i表示沉積之前，ii表示單道次的1-3遍，iii表示冷卻。 ）

下圖a顯示了Bermingham等人的凝固過程示意圖并包括與熱梯度和各種物理過程相關(guān)的細(xì)節(jié)，包括蒸發(fā)、對(duì)流、功率損耗和凝固。

加工對(duì)增材制造中紋理和晶粒的影響。（a）熔池運(yùn)動(dòng)示意圖。（b）關(guān)于過冷和熱梯度（G）的凝固模式示意圖。（c）鈦合金TC-11的光學(xué)顯微照片（左）和Ti-6Al-4V的織構(gòu)的顯微照片（右）跨層的外延晶粒生長(zhǎng)。（d）Ti-6Al-4V的凝固圖，其中包括浮區(qū)定向凝固（DS），圓柱鑄件，原型生產(chǎn)（生產(chǎn)）鑄件，CO2激光釉和Nd：YAG激光釉的數(shù)據(jù)。顯微照片是使用Nd：YAG激光釉（展示柱狀晶粒）和CO2激光釉（展示混合晶粒）加工的Ti-6Al-4V。

最粗糙的微結(jié)構(gòu)特征是晶粒，這一點(diǎn)通常很重要。紋理和凝固圖與晶粒尺寸和形態(tài)之間有直接的聯(lián)系。在金屬材料中觀察到了幾個(gè)與晶粒有關(guān)的顯著特征。

加工對(duì)增材制造中紋理和晶粒的影響。（a）熔池在連續(xù)層上推動(dòng)之字形圖案運(yùn)動(dòng)的示意圖。熔池以橙色表示，并用陰影表示，而固態(tài)金屬則顯示出由其邊界（藍(lán)色虛線）定義的多個(gè)晶粒。（b）觀察到的鋸齒形圖案。（c）鈦合金TNZT（Ti-35Nb-7Zr-5Ta）和TNZT + B（Ti-35Nb-7Zr-5Ta + 2B）。（d）觀察到的柱狀到等峰的轉(zhuǎn)變（CET）。EGZ，等軸晶區(qū)；HAZ，熱影響區(qū)；RD，滾動(dòng)方向；TD，橫向。

增材制造（AM）產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通常會(huì)在內(nèi)部空間內(nèi)變化�；�于加工、成分和微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用以及成分、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的相關(guān)關(guān)系，AM金屬材料的共同特性是可能的。

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