頂刊《Acta Materialia》： 定向能沉積增材制造的相關(guān)同步加速器X射線成像和衍射

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文通過鎳基高溫合金IN718的原位和操作同步加速器X射線成像和衍射研究揭示了定向能量沉積增材制造（DED-AM）的控制機(jī)理行為。
摘要

通過鎳基高溫合金IN718的原位和操作同步加速器X射線成像和衍射研究揭示了定向能量沉積增材制造（DED-AM）的控制機(jī)理行為。使用獨(dú)特的DED-AM工藝復(fù)制器，真實(shí)空間成像可以量化凝固過程中的熔池邊界和流動動力學(xué)。這種成像知識還用于在100μm的空間分辨率下，在轉(zhuǎn)變和應(yīng)力發(fā)展過程中對時(shí)間分辨的微觀結(jié)構(gòu)相進(jìn)行精確的衍射測量。衍射量化的熱梯度能夠預(yù)測樹枝狀凝固微觀結(jié)構(gòu)并將其耦合到應(yīng)力狀態(tài)�？焖倮鋮s速度完全抑制了二次相的形成或固態(tài)的再結(jié)晶。凝固后，應(yīng)力在冷卻過程中迅速增加到屈服強(qiáng)度。這一見解與IN718的大凝固范圍相結(jié)合，表明累積的塑性耗盡了合金的延展性，導(dǎo)致液化開裂。這項(xiàng)研究揭示了在DED-AM期間控制高度非平衡微觀結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制。

1介紹

激光增材制造（LAM）是一種高度通用且靈活的制造技術(shù)，可以逐層制造復(fù)雜的幾何形狀。它正在改變現(xiàn)代制造業(yè)，特別是在冶金行業(yè)。定向能量沉積增材制造（DED-AM）通過噴嘴沉積粉末或線材原料并用激光熔化，是最具成本效益和通用的LAM方法之一，因?yàn)樗�能夠生產(chǎn)大型近凈形狀的自由形狀組件。DED-AM還用于修復(fù)航空航天，生物醫(yī)學(xué)和汽車行業(yè)中的高價(jià)值部件。然而，DED-AM過程中的快速凝固導(dǎo)致了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力和形成不良的微觀結(jié)構(gòu)特征，如孔隙、裂紋或大的外延顆粒。這目前限制了DED-AM在生產(chǎn)安全關(guān)鍵部件方面的廣泛工業(yè)應(yīng)用。為了克服這些限制，需要對制造過程中的基本瞬態(tài)物理場有更深入的了解。

增材制造的四個(gè)M（4M）：材料，制造，計(jì)量和市場。

增材制造與傳統(tǒng)的形成性或減材制造有著根本的不同，因?yàn)樗�最接近“自下而上”的制造，我們可以使用“逐層”方法將結(jié)構(gòu)構(gòu)建成其設(shè)計(jì)的形狀。這種逐層制造在制造復(fù)雜、復(fù)合材料和混合結(jié)構(gòu)方面具有前所未有的自由度，其精度和控制力是傳統(tǒng)制造路線無法實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)很好的例子可以是骨組織工程支架，其目的是在體內(nèi)提供組織支持，同時(shí)模仿骨的多孔和可滲透的分層結(jié)構(gòu)。復(fù)制骨支架的傳統(tǒng)方法已被證明難以模擬互連的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是使用X射線微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（X射線μCT）圖像與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）相結(jié)合可以創(chuàng)建可以使用AM可靠地處理的設(shè)計(jì)文件

LAM的原位和操作高速X射線研究已被證明在揭示以前看不見的瞬態(tài)激光誘導(dǎo)現(xiàn)象方面取得了巨大成功，包括熔池動力學(xué)，微觀結(jié)構(gòu)特征形成和相演變。同步加速器X射線成像已被證明可以有效地捕獲激光 - 物質(zhì)相互作用和激光粉末床融合（LPBF）中的基礎(chǔ)物理。然而，對DED-AM的同步加速器成像的關(guān)注要少得多。工業(yè)DED-AM沉積物的較大長度尺度導(dǎo)致X射線透射率低，使X射線研究具有挑戰(zhàn)性。盡管如此，仍然非常需要量化和理解具有高空間和時(shí)間分辨率的光學(xué)不透明金屬樣品。高通量、高能量的第三代同步輻射源使快速（毫秒到微秒）X射線成像和激光-物質(zhì)相互作用的衍射成為可能。

本研究中研究的材料是鎳基高溫合金IN718。它具有優(yōu)異的高溫性能和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)中的渦輪盤等安全關(guān)鍵部件。IN718也是LAM常用的高溫合金。然而，LAM引入了高熱應(yīng)力，這源于IN718的高彈性模量和熱膨脹系數(shù)。添加Ti或Nb在晶界和/或樹枝狀區(qū)域形成共晶化合物和元素偏析增加了熱裂變敏感性。因此，使用LAM可能很難生成無裂紋組件。

在這項(xiàng)工作中，我們使用獨(dú)特的AM過程復(fù)制器對DED-AM過程進(jìn)行了時(shí)間和空間分辨的X射線成像和衍射組合，該復(fù)制器具有直接擴(kuò)展以復(fù)制工業(yè)過程參數(shù)的功能。X射線成像和衍射的結(jié)合提供了對DED-AM的全面，深入的了解，包括熔池動力學(xué)，凝固順序和原位和操作中捕獲的不良微觀結(jié)構(gòu)特征形成。這項(xiàng)研究通過X射線成像對關(guān)鍵特征進(jìn)行了量化，指導(dǎo)了溫度、應(yīng)變和相位的衍射量化，每個(gè)特征在熔池和周圍熱影響區(qū)域的空間映射。

3.結(jié)果

3.1.原位和操作X射線成像和衍射

在原位成像實(shí)驗(yàn)期間，X射線束被基板，粉末和沉積的熔體軌跡衰減，PCO.edge sCMOS相機(jī)（PCO，德國）能夠獲取所得射線照相視頻，如圖1 所示。這些X光片記錄了使用IN718的DED-AM構(gòu)建的多層熔體軌道形態(tài)的時(shí)間分辨演變（圖1 b）。同步加速器成像條件經(jīng)過精心定制，以優(yōu)化信噪比、空間和時(shí)間分辨率之間的權(quán)衡。

圖1 DED-AM IN718的原位X射線成像量化。

使用Pilatus 2M CdTe 2D面積檢測器（瑞士Dectris有限公司）獲取原位衍射數(shù)據(jù)，從而能夠在傳輸過程中收集完整的德拜-謝爾衍射圖案。使用70keV的X射線能量并用CeO2標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2a所示。

圖2 DED-AM IN718的原位X射線衍射：（a）DED-AM工藝的原位和操作性X射線衍射示意圖。同步輻射X射線被沉積的材料衰減，衍射的X射線被大的2D區(qū)域衍射探測器記錄。（b）本研究中使用的熔池映射策略，由6×7映射矩陣組成。（c）本研究中使用的熔體軌跡映射策略，包括熔體軌跡區(qū)域的3×21映射矩陣。標(biāo)記為“d”的箭頭表示單獨(dú)采集的30個(gè)離散衍射圖案的線掃描的距離度量。該線掃描獲得了從熔池前部進(jìn)入熔池，然后進(jìn)入熔池軌道的數(shù)據(jù)；總掃描距離為3mm。在（d）中，這些單獨(dú)圖案的強(qiáng)度被繪制為d間距和掃描距離的函數(shù)，主要相位被標(biāo)記為它們各自的反射。

3.2.DED-AM期間的流動動力學(xué)

在熔池中觀察到的流動動力學(xué)是流體流動與粉末顆粒摻入的阻尼效應(yīng)之間的復(fù)雜相互作用。激光在熔池中產(chǎn)生高的熱梯度，從而產(chǎn)生馬蘭戈尼流動；當(dāng)較冷的粉末顆粒被引入熔池時(shí)，其熔化的淬滅效應(yīng)使這一點(diǎn)更加復(fù)雜。添加鎢示蹤劑以量化多層DED-AM構(gòu)建中的熔池流動模式和觀察到的流動模式，表明熔池形狀在很大程度上取決于流動特征（圖3）。流動的W示蹤顆粒的軌跡指示了從上部熔池中心到底部的徑向（向外）流動路徑，如示意圖所示（圖3a）。熔池分為三個(gè)區(qū)域：1.區(qū)域A，在熔池右側(cè)可以看到順時(shí)針流動（圖3b）；2.區(qū)域B，在熔池左側(cè)觀察到逆時(shí)針流動（圖3c）；3.區(qū)域C，平行于X射線束方向流動（圖3a中的頁面內(nèi)和頁面外方向），位于熔池中心，當(dāng)在2D投影中觀察時(shí)，呈現(xiàn)上下流動行為。彩色線條表示示蹤粒子的軌跡和方向。

圖3 使用W示蹤劑對DED-AM IN718期間Marangoni流動的原位和操作性X射線成像定量。

通過同步輻射X射線照相術(shù)量化了操作參數(shù)下的熔池幾何結(jié)構(gòu)（圖4）。當(dāng)粉末進(jìn)給速率為1 g min - 1、2 g min - 1和3 g min - 1時(shí)，熔體池形狀的x射線照片分別如圖4a i-iii所示。熔池體積隨進(jìn)粉速度和激光功率密度的增大而增大。隨著面積和激光功率密度的減小，或隨著穿越速度的增加，熔池體積減小，與預(yù)期一致。增加穿越速度也減少了粉末沉積到熔池的數(shù)量，進(jìn)一步減少了熔池體積。通過對不同工藝條件下熔池幾何形狀的x射線成像觀察，選擇了200W、1 g min - 1和1 mm s - 1作為衍射實(shí)驗(yàn)的操作參數(shù)。選擇這些參數(shù)是因?yàn)樗鼈冏钚』�了諸如孔隙率等不良特征，并創(chuàng)建了穩(wěn)定的熔池。

圖4 DED-AM IN718的原位同步輻射X射線成像熔池定量。

3.3.冷卻期間的相變

圖5顯示了從衍射數(shù)據(jù)集計(jì)算的空間分辨相體積分?jǐn)?shù)，來自使用所選參數(shù)構(gòu)建的薄壁的第1層、第3層和第5層。圖5a顯示了映射區(qū)域中X射線束方向的平均溫度，由激光加熱和隨后冷卻過程中的晶格間距膨脹和收縮確定。由于檢測不到固相時(shí)峰值強(qiáng)度的限制，熔池溫度設(shè)置為1360°C。如圖5a所示，在行程1 mm內(nèi)（持續(xù)時(shí)間為1 s），溫度從熔化溫度降至1200°C以下，冷卻速度在此范圍內(nèi)顯著降低。

圖5 根據(jù)衍射圖得出的熔池映射結(jié)果，顯示了多層熔池區(qū)域中的（a）溫度、（b）液體體積分?jǐn)?shù)、（c）γ相體積分?jǐn)?shù)，（d）MC碳化物體積分?jǐn)?shù)和（e）laves體積分?jǐn)?shù)。

3.4.應(yīng)力演變

如圖6所示，在第三層構(gòu)建過程中，在熔體軌跡區(qū)域原位收集了衍射數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)用于量化應(yīng)力演變，與多層構(gòu)建條件下DED-AM期間的相分?jǐn)?shù)形成對比，并可用于裂紋敏感性預(yù)測。選擇{200}γ反射來計(jì)算應(yīng)力；盡管可以從該相位使用任何反射，但使用峰值的最高強(qiáng)度（具有最高信噪比）被認(rèn)為提供了最佳精度。

圖6 從衍射圖得出的熔體軌跡映射結(jié)果。

構(gòu)建后樣品中的殘余應(yīng)力以逐層間隔測量，包括在基底中測量的一行。σxx、σxy和σyy分量的結(jié)果如圖7所示。如預(yù)期的那樣，在襯底中（在22.5mm的位置），面內(nèi)應(yīng)力分量被測量為近似為零。建筑內(nèi)的法向應(yīng)力分量σxx和σyy被測量為壓縮，并且在每個(gè)單層內(nèi)具有相似的大小，σxy被測量為近似為零。σxx和σyy的實(shí)測壓縮應(yīng)力范圍為-45 MPa至-125 MPa，表明層間應(yīng)力變化；然而，需要進(jìn)一步的分析來證實(shí)這一點(diǎn)，因?yàn)檎`差大小相似。

圖7 根據(jù)衍射圖計(jì)算的宰后多層構(gòu)建中的殘余應(yīng)力。（a）顯示線掃描策略的示意圖�；�底竣工高度0 mm。（b）殘余應(yīng)力測量。

4.討論

4.1.Marangoni流量

DED-AM過程中的凝固過程由熔池中的傳熱控制，而DED-AM中的熔池流動是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了熔體軌跡發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)特征形成過程中的傳熱和傳質(zhì)。跟蹤DED-AM過程中的Marangoni流動，使我們能夠了解恒定激光輻射和粉末摻入下的熔池演變。盡管反沖壓力、浮力、蒸汽壓力和陰影效應(yīng)等其他因素也會影響熔體流動，但我們的研究表明，表面張力是控制熔體池流動行為的主要驅(qū)動力。

通過DLD對薄壁進(jìn)行數(shù)值建模。

模擬質(zhì)量添加（或“質(zhì)量化”）的典型方法是解決一系列恒定幾何問題，每個(gè)問題在給定時(shí)間內(nèi)。對于每個(gè)新時(shí)間，都會向網(wǎng)格引入新單元，然后連接相鄰網(wǎng)格并輸入初始條件，同時(shí)更新邊界條件，如山兔所示。每個(gè)新的“活化”元素（或“誕生細(xì)胞”）的初始溫度幾乎等于材料液相線溫度。在一段時(shí)間內(nèi)引入的新元素的數(shù)量是粉末進(jìn)料速率的函數(shù)。請注意，每個(gè)單元都由子單元組成，以便更好地模擬熱能擴(kuò)散和局部流體力學(xué)。

4.2凝固過程和冷卻速度

熔池的凝固由通過熔池的凈傳熱控制，在本研究中，我們關(guān)注兩個(gè)主要事件：（1）糊狀區(qū)傳熱和（2）微觀結(jié)構(gòu)演變。糊狀區(qū)含有固體，以及富含合金元素的枝晶間液體。這里，熱梯度是從使用衍射圖案的熔池溫度映射結(jié)果得出的，從而能夠更準(zhǔn)確地表征熔池凝固前沿行為。

DLD期間帶有熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

數(shù)值和/或分析建模的一個(gè)明顯優(yōu)勢是，它們?yōu)椤疤摂M”運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以確定最佳DLD工藝參數(shù)提供了一種重要手段。與使用困難的測量技術(shù)的試錯實(shí)驗(yàn)相比，這更具成本效益且耗時(shí)更少。數(shù)值方法的利用提供了一種更有效的方法來優(yōu)化DLD工藝，以生產(chǎn)具有目標(biāo)制造后特性的零件。例如，通過數(shù)值模擬，代替昂貴/廣泛的實(shí)驗(yàn)，最終用戶可以學(xué)習(xí)并提供（i）冷卻速率，（ii）HAZ中的熱循環(huán)頻率/幅度和（iii）峰值溫度分布。然后，這種“熱數(shù)據(jù)”可用于與零件中

4.3.最終凝固相演變

DED-AM過程中的快速激光誘導(dǎo)加熱和冷卻速率先前意味著DED-AM期間形成的相只能通過構(gòu)建后金相分析來測量，通過模擬推斷動力學(xué)。Zhao等人指出了使用X射線成像估計(jì)凝固速率的可能性。然而，我們的研究直接量化了凝固順序，包括對相形成溫度、動力學(xué)和體積分?jǐn)?shù)的估計(jì)。對于本研究中使用的工藝參數(shù)，我們定量確定了IN718 DED-AM過程中的主要相為γ、MC型碳化物和Laves。

我們假設(shè)在熔體冷卻期間，晶格間距的減小是由于固相線上方的熱收縮；因此，可以使用已知的熱膨脹系數(shù)從晶格間距計(jì)算溫度演變。我們還假設(shè)IN718中γ相的熱收縮行為從熔體到室溫是線性的。該行為與另一項(xiàng)研究中的觀察結(jié)果相重復(fù)，該研究表明，熱膨脹導(dǎo)致IN625中γ相的無應(yīng)力晶格常數(shù)線性增加。然后，使用液相線和室溫中列出的熱膨脹系數(shù)，根據(jù)晶格間距計(jì)算溫度演變。除了MC碳化物和Laves相的形成外，IN718樣品在映射區(qū)域的冷卻過程中沒有表現(xiàn)出進(jìn)一步的相變，因?yàn)榭焖倮鋮s速率被認(rèn)為足以抑制γ'和γ'相的形成。在沒有任何進(jìn)一步的固態(tài)轉(zhuǎn)變的情況下，可以將熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)與化學(xué)效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)分開。

DLD期間帶有熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

過程量熱儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代表了量熱儀入口和出口的水溫差異。上圖顯示了在1kW激光功率下用粉末加工的Ti-6Al-4V合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之一。吸收的總能量，，通過對入口和出口溫度差值進(jìn)行數(shù)值積分來計(jì)算。

4.4.開裂標(biāo)準(zhǔn)

激光誘導(dǎo)的快速加熱和冷卻會產(chǎn)生陡峭的熱梯度，導(dǎo)致顯著的體積收縮和殘余應(yīng)力。同時(shí)，在IN718的LAM過程中，晶界和枝晶間區(qū)域的共晶反應(yīng)和元素偏析因溶質(zhì)富集而產(chǎn)生了顯著的過冷度。晶間液體薄膜和高熱應(yīng)力的結(jié)合增加了熱裂紋的敏感性，特別是熱影響區(qū)的液裂。從根本上講，發(fā)生熱裂紋必須滿足兩個(gè)條件：（a）機(jī)械/熱約束（應(yīng)變）耗盡材料的延展性；以及（b）易開裂的微觀結(jié)構(gòu)是由于液膜沿凝固邊界的持續(xù)存在。圖8a中繪制了這些值與溫度的函數(shù)關(guān)系。

圖8 DED-AM期間IN718的開裂敏感性。

圖8a顯示，在感興趣區(qū)域的液相線溫度（1360°C）下，所有應(yīng)力均為零，并且在冷卻過程中應(yīng)力增加。因此，在IN718的DED-AM快速冷卻期間，一旦固體形成，材料立即達(dá)到屈服應(yīng)力�？梢酝茢啵�當(dāng)材料達(dá)到接近100%的固體時(shí)，彈性開始累積，隨著溫度降低，彈性持續(xù)存在。

5.結(jié)論

一種獨(dú)特的原位和可操作過程復(fù)制器已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Χ鄬覦ED-AM過程中發(fā)生的基礎(chǔ)物理進(jìn)行快速時(shí)間分辨同步加速器實(shí)時(shí)和往復(fù)空間X射線成像。在鎳基高溫合金IN718的DED-AM過程中，獲得了重要的新見解，將激光熔化與所得微觀結(jié)構(gòu)和潛在的有害特征（如孔隙率和微裂紋）聯(lián)系起來。可以得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

•使用成像來指導(dǎo)時(shí)間分辨衍射數(shù)據(jù)的分析，可以在多層DED-AM構(gòu)建過程中明確地分離熱梯度、相變（包括體積分?jǐn)?shù)發(fā)展和宏觀機(jī)械應(yīng)力發(fā)展）。

•通過測量瞬時(shí)冷卻速率，可以假設(shè)在DED-AM期間IN718中的凝固前沿是樹枝狀的。在冷卻過程中，觀察到以下相變順序：液體→液體+γ→液體+γ+MC→液體+γ+MC+Laves→γ+MC+Laves。竣工微觀結(jié)構(gòu)主要包括γ，但也包含低體積分?jǐn)?shù)相，包括：；MC碳化物（約1.1體積%）Laves（約0.5體積%），顯示了該技術(shù)的高靈敏度。

•通過跟蹤熔體流動的速度和方向來量化熔體池中的傳熱動力學(xué)。馬蘭戈尼對流是控制熔池流動的主要現(xiàn)象，其中熱對流控制熔池中心，而在糊狀區(qū)域，熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。

•結(jié)果表明，高溫區(qū)的累積應(yīng)力主要受熱效應(yīng)的影響。應(yīng)力足夠高，以在材料固化后和進(jìn)一步冷卻期間立即產(chǎn)生材料。應(yīng)力并沒有觸發(fā)二次強(qiáng)化相或再結(jié)晶的形成，而是耗盡了材料的延展性，并可能由于較大的凝固范圍而導(dǎo)致液化開裂。

通過描述DED-AM過程中運(yùn)行的瞬態(tài)特性，可以了解竣工特性，包括二次相的體積分?jǐn)?shù)和材料的機(jī)械特性，這些特性可用于指導(dǎo)后期熱處理策略。將這種見解應(yīng)用于鎳基高溫合金和其他合金系統(tǒng)，將有助于提高額外制造零件的質(zhì)量和性能。

來源：Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116777

參考文獻(xiàn)：Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities, Mater. Today., 21 (2018), pp. 22-37, 10.1016/J.MATTOD.2017.07.001