使用激光束整形策略的金屬激光粉末床熔融增材制造中的微觀結(jié)構(gòu)控制（2）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：本文研究了使用高斯（圓形）和橢圓（橫向和縱向）激光束形狀對 316 L 不銹鋼進行單軌激光粉末床融合加工期間柱狀到等軸微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。證明了通過成核事件產(chǎn)生等軸晶粒的傾向與橢圓橫向激光束提供的大光束寬度相關。本文為第二部分。

3.2.晶粒結(jié)構(gòu)（外延晶粒生長和成核）隨激光束形狀的演變
3.2.1.橫向橢圓（TE）梁下的凝固晶粒生長

通常，發(fā)現(xiàn)TE束比LE或CG束產(chǎn)生更多的成核事件。與非有核情況類似，三維晶粒結(jié)構(gòu)的演變也體現(xiàn)在水平（圖9（a），（c）和（e）），中心縱向（圖9（b），（d）和（f））和橫向（圖9（g）-（j））橫截面中。為了區(qū)分基底中的先前晶粒和融合區(qū)成核形成的新晶粒，后者根據(jù)反極圖（IPF）著色，其邊界為深紅色。從水平橫截面來看，有核晶粒似乎傾向于在熔池中心線附近形成，并隨著其后緣的遷移而增長。從中央縱向和橫向橫截面開始，這些晶粒沿構(gòu)建方向（z）優(yōu)先生長。我們注意到，通過成核形成的晶粒在給定的二維橫截面中可能表現(xiàn)出柱狀和等軸形貌，如圖9（j）所示。

圖 9 在316L-SS的單激光軌跡AM期間晶粒結(jié)構(gòu)的演變，包括通過部分熔化的先前晶粒（淺藍色）的外延生長和有核晶粒的生長（在IPF方案中著色）形成柱狀晶粒。激光束強度分布：TE（橫向橢圓）。

3.2.2.激光束形狀對熔池成核和生長的影響

圖10比較了三種不同激光束形狀的凝固晶粒結(jié)構(gòu)。融合區(qū)新晶粒的成核和生長中斷了相鄰晶粒的外延生長。在圖11中，我們對有核晶粒進行顏色編碼，以將它們與基質(zhì)中的先前晶粒區(qū)分開來。很明顯，新晶粒的數(shù)量密度、大小、形態(tài)和空間分布隨激光束形狀而變化很大。與TE束相比，CG束（65）和LE束（64）的成核晶粒數(shù)量幾乎相等，而TE束的成核事件（99）約為1.5倍（見圖14（a）），這表明TE束具有比其他兩個束更高的成核傾向。

圖 10 所得晶粒結(jié)構(gòu)作為激光束形狀的函數(shù)。

圖 11 融合區(qū)成核形成的晶粒的數(shù)量密度和空間分布。X：掃描方向，Y：橫向，Z：構(gòu)建方向。透明的灰色平面表示激光掃描前的基板表面。

值得注意的是，與TE束相比，具有CG束的有核晶粒（圖11（a））相對粗糙且占據(jù)更大的體積。原因有二：首先，CG的成核頻率低于TE束，前者的成核事件總數(shù)較少;其次，CG梁的熔池比TE梁更深。這兩個因素共同為有核晶粒提供了更多的時間和空間，使其在來自相鄰有核晶粒的干擾較小（通過硬沖擊）的情況下生長，從而使CG光束的有核晶粒結(jié)構(gòu)更粗糙。

分析了基底中受熔池影響的先前晶粒和通過成核形成的新晶粒的CG，TE和LE束。相應的{001}極圖如圖12（a）、（b）和（c）所示。當激光束形狀從CG、TE變?yōu)長E時，織構(gòu)指數(shù)表征的織構(gòu)強度在0.407（0.421）、0.292（0.307）和0.478（0.549）之間變化。與第3.1.3節(jié)中禁用成核的情況相比，新晶粒的形成使CG，TE和LE的織構(gòu)強度分別降低了3.33%，4.89%和12.9%�？棙�(gòu)強度降低的差異證明光束整形會誘發(fā)先前晶粒和有核晶粒之間的生長競爭。有核晶粒的晶體取向是隨機選擇的，這削弱了紋理的強度。有核晶粒的生長與基底中部分熔化的先前晶粒的外延生長競爭，從而降低了它們的細長生長，從而降低了整體質(zhì)地。

圖 12 （A-C）在不同激光束形狀下受熔池影響的晶粒（即晶粒在熔融區(qū)發(fā)生部分熔融和外延生長或在融合區(qū)成核生長）的晶體紋理（用極圖{001}表示）。紋理指數(shù)用于量化紋理的強度。

4.討論

凝固晶粒生長模擬表明，激光束整形對凝固晶粒結(jié)構(gòu)有顯著影響，是控制L-PBF AM或任何其他基于能量束的AM技術(shù)中微觀結(jié)構(gòu)的可行策略。不同光束形狀下生長形態(tài)的差異可以使用基于熱梯度（G）和液固界面速度（R）的傳統(tǒng)定義的基于幾何的論證來解釋。

R=0.1時PBF（激光）、PBF（EBM）和電線（DED）的應力（S）與失效周期（N）（S-N）數(shù)據(jù)匯總。顯示了鑄造、鍛造加工數(shù)據(jù)的金屬材料性能開發(fā)和標準化（MMPDS）數(shù)據(jù)，以便進行比較。

最近的一篇綜述總結(jié)了PBF（激光）加工、PBF（EBM）加工和DED加工Ti-6Al-4V的應力控制疲勞行為，以及表面粗糙度（例如，構(gòu)建與加工）和缺陷（例如，構(gòu)建與HIP）的影響與使用加工表面測試的鑄造和鍛造Ti-6Al-4V相比。上圖包括來自該工作的數(shù)據(jù)除了最近對PBF（EBM）Ti-6Al-4V，在應變控制下進行，以捕捉迄今為止觀察的本質(zhì)。

Körner等人使用晶格玻爾茲曼法（LBM），假設電子束熔化過程可以用2D表示。這種方法的一大障礙是考慮溫度時會發(fā)生嚴重的數(shù)值不穩(wěn)定性。Körner使用多分布函數(shù)方法在流體密度不強烈依賴溫度的假設下減少這些限制。該方法已在二維中應用于研究單層和逐層固結(jié)，并顯示了粉末填料對熔體特性的重要性。他們對不良球效應的觀察歸因于當?shù)氐姆勰┡帕�。最近，在Ref中添加了一個二維蒸汽反沖壓力模型，以改進熔體深度預測。馬蘭戈尼效應被忽視了。使用不包括后坐力、馬蘭戈尼或蒸發(fā)效應的 3D 模型來建立適合減少構(gòu)建時間和成本的工藝策略，同時實現(xiàn)高功率電子束應用。

用于開發(fā)用于結(jié)構(gòu)應用的增材制造合金的集成多尺度方法。

盡管發(fā)現(xiàn)了與方向相關的疲勞行為，并且加工和拋光表面也實現(xiàn)了一些性能改進，但與其他數(shù)據(jù)相比，性能非常差被認為是由工藝引起的缺陷造成的。參考文獻表明，在優(yōu)化Ti-6Al-4V的PBF（激光）工藝后，通過加工竣工表面獲得的疲勞數(shù)據(jù)得到了顯著改善，支持了這一假設。精細α微觀組織導致鑄造+HIP材料的疲勞性能優(yōu)于MMPDS參考數(shù)據(jù)，而馬氏體組織的性能低于MMPDS參考數(shù)據(jù)。在650°C/3 h下進行熱處理略微改善了已建成粗糙表面的疲勞行為，并且（粗糙）表面似乎再次開始開裂。在650°C/4 h下進行熱處理以及機加工/電火花加工/噴丸/噴砂表面產(chǎn)生的疲勞性能接近鑄造+ HIP MMPDS數(shù)據(jù)的疲勞性能。

4.1.G和R隨激光束形狀的變化

在本研究中，為了了解G和R對凝固形貌（柱狀與等軸）的影響，在給定時間快照下，計算了從液相線和固相線之間的糊狀帶獲取的模擬網(wǎng)格點的局部G和R。然后將提取的G和R值繪制在316L-SS的參考凝固圖上。圖13顯示了每種激光束形狀的316L-SS參考凝固圖上G和R的時間演變。每個數(shù)據(jù)點的顏色對應于時間快照。將所有提取的G和R對包圍起來的邊界繪制并疊加在參考凝固圖上。凝固圖上定義的區(qū)域?qū)�應于晶粒形態(tài)：完全等軸（低 G、高R）、混合或全柱狀（高G、低R）。

圖 13 三種不同激光束形狀下溫度梯度G和液固界面速度R的時間變化。

對凝固圖上G-R 對分布的檢查表明，大多數(shù)G-R 對在激光軌跡開始時落入全柱狀區(qū)域，并且隨著軌道的進行，它們逐漸移動到混合區(qū)域，越來越接近完整的等軸區(qū)域。G-R動態(tài)變化的這種趨勢也可以從G-R邊界下部的遷移中觀察到在這兩個不同的時間時刻。可以清楚地看到，帶有TE光束的G-R比其他兩個光束更早地進入混合區(qū)域。此外，TE光束混合區(qū)域中的G-R對數(shù)量大于其他兩個光束。為了量化這一趨勢，我們進一步計算了位于混合區(qū)域內(nèi)的G-R 點數(shù)量的百分比。當t=83μs時，CG、TE和LE光束位于混合區(qū)域內(nèi)的G-R點的百分比分別為0.0%、6.9%和0.5%；當t=243μs時，這些值分別為2.3%、5.6%和1.9% 對于CG、TE和LE波束。因此，TE束的成核發(fā)生得更早、更頻繁，如下圖14（a）所示。

圖 14 （a）：三種不同光束形狀下成核事件總數(shù)的時間變化，（b）：在給定時間時刻比較三種不同光束形狀的G-R，顯示G和R與TE光束更接近全等軸區(qū)域，因此成核傾向高于其他兩個光束。（c）：成核過冷的影響ΔTN關于總成核事件和（d）凝固圖。括號中的數(shù)字表示成核事件的總數(shù)。

圖14（a）表明TE束的成核發(fā)生得更快，并且比其他兩種光束形狀更頻繁。TE束的成核傾向較高可歸因于以下事實：在給定的時間時刻，TE束下方G-R邊界的下部比其他兩個光束更接近等軸區(qū)域（圖14（b））。

4.2.成核機理分析

凝固微觀結(jié)構(gòu)從平面、蜂窩、柱狀到等軸樹枝狀不等，G減小，R增大，相當于G/R比值減小。如圖15（a）所示。

圖 15 成核機理的解釋：（a）顯示固液界面速度R沿熔池邊界的空間變化的示意圖，（b）顯示溫度梯度G沿熔池邊界的空間變化的示意圖，（c-e）：不同光束形狀的熔體軌跡水平二維切片（在基板表面），顯示溫度等值線（在熔化溫度和1600 K下）和固/液界面速度R。

為了了解光束形狀的影響，我們遵循了與圖15（a-b）類似的分析，并繪制了兩個代表性的等溫線，作為熔體軌道基體表面的CG，TE和LE輪廓的二維橫截面（圖15（c），（d）和（e））。我們觀察到，TE在這兩條等高線之間的中心線上具有最大的距離分離（這當然適用于其他輪廓線選擇），因此熔池背面的G較小，R值較大（圖15（d））�；�于這兩個幾何參數(shù)，TE具有最寬的過冷區(qū)（低G和高R或等效的低G/R），因此成核傾向高于其他兩個光束。此外，通過觀察從底部觀察熔池上有核晶粒的分布（見圖16），很明顯，新晶粒優(yōu)先形成在熔池的背面和底部，阻擋了柱狀樹突，并且在TE束下的數(shù)量密度最高（圖16（b））。此外，圖15（c）和（e）在G和R方面的差異可以忽略不計，因此表明CG和LE束在成核傾向方面將給出相似的響應。

圖 16 分析不同光束形狀的優(yōu)先成核位點的空間分布（相對于從底部看的紅色熔池）

4.3.光束整形策略對不同工藝參數(shù)的依賴性

到目前為止，我們的結(jié)果基于固定的激光功率和掃描速度。我們希望我們的結(jié)論能夠推廣到任何激光功率和掃描速度，因為驅(qū)動不同光束形狀之間微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)差異的是由此產(chǎn)生的熔池幾何形狀。

圖17（a）中給出的結(jié)果證實了與激光功率和掃描速度無關的三個共同特征：

(1)TE束的成核開始時間比其他兩種波束形狀（CG和LE）更早;

(2)TE束的成核事件數(shù)量增加速度也比其他兩種波束形狀更快;

(3)TE 光束產(chǎn)生最多的成核事件。

圖 17 （a）在激光功率為350 W、掃描速度為0.75 m/s的情況下，關閉激光之前成核事件總數(shù)的時間變化。括號中的數(shù)字表示成核事件的總數(shù)。

4.4.激光源關閉后成核機制的變化

當激光器關閉時，熔池中的成核機制發(fā)生變化，從而不再僅由光束形狀幾何形狀驅(qū)動。圖18證實，CG和LE光束比TE光束產(chǎn)生更多的成核事件，超過激光關斷。CG和LE光束產(chǎn)生比TE光束更深的熔池（見圖19），這是光束和掃描方向正交排列的直接結(jié)果。在沒有任何輸入熱源的情況下，熔池繼續(xù)失去熱量，熱過冷度增加。由于對于CG和LE情況，凝固前沿需要更多的時間到達表面，因此熔池的熱過冷度接近平均過冷度ΔTN，這觸發(fā)了更多的成核事件。因此，對于給定的平均熱過冷度ΔTN，柱狀到等軸轉(zhuǎn)變在更深的熔池中更為有利，即更大的熔池。這意味著，對于TE和其他梁形狀（如平頂），往往會產(chǎn)生淺熔池，軌道末端的微觀結(jié)構(gòu)將主要為柱狀。

圖 18 兩組加工參數(shù)（a）關閉激光后成核事件總數(shù)的時間變化。

圖 19 熔池幾何形狀與激光束形狀的函數(shù)關系。

4.5.可變性和不確定性的量化

應該注意的是，上述關于激光束整形策略的結(jié)論是基于在具有特定初始結(jié)構(gòu)的基板上構(gòu)建的一小段軌道的結(jié)果。為了量化由于不同的基板晶粒結(jié)構(gòu)而導致的研究結(jié)果的可變性和不確定性，我們進行了兩次額外的模擬，每次模擬都從統(tǒng)計上不同的基板晶粒結(jié)構(gòu)開始，與上述模擬中使用的激光功率為350 W和掃描速度為1.8 m / s的情況不同。

4.6.模擬與實驗的比較

我們對兩組加工參數(shù)的結(jié)果表明，當激光打開時，TE光束的成核開始比其他兩個光束（CG或LE）更早，更頻繁。例如，對于第一組加工參數(shù)（功率 300 W，速度 1.8 m/s），CG、TE 和 LE 剖面的有核晶粒數(shù)分別為 37、88 和 29（圖 14（a））;對于第二組（功率 350 W，速度 0.75 m/s），這些數(shù)字分別表示 CG、TE 和 LE 配置文件的 901、1355 和 822（圖 17（a））。

4.7.模型的局限性

這里值得指出的是，由于存在極高的溫度梯度（即大約 106 ~ 109K/m）。實際上，對于所研究的所有三種強度曲線（即CG，TE和LE），模擬研究中使用的兩組加工參數(shù)（即激光功率300 W，掃描速度1.8 m / s和激光功率350 W，掃描速度0.75 m / s）觀察到柱狀樹枝狀凝固。形成等軸晶粒的另一種可能機制是枝晶尖端碎片上的異質(zhì)成核。這可能是由于枝晶側(cè)臂相對狹窄的根部的憲法重新熔化造成的;然后可以將分離的側(cè)臂輸送到散裝液體中，作為有利的成核位點。準確預測這種成核機制需要正確的模型輸入?yún)��?shù)，這在實驗中驗證非常具有挑戰(zhàn)性。然后，我們的方法是通過增加CA算法中的成核密度并研究由此產(chǎn)生的對生長形態(tài)的影響來有效地聚集所有成核原因。

5.總結(jié)

采用耦合ALE3D-CA方法系統(tǒng)研究了激光束形狀對316L不銹鋼（SS）單軌激光粉末床熔融（L-PBF）AM過程中熔池幾何形狀的時間演變以及三維（3D）凝固晶粒結(jié)構(gòu)（尺寸、形貌和晶體紋理）的影響。詳細發(fā)現(xiàn)包括：

(1)與CG（圓形高斯）光束相比，TE（橫向橢圓）光束產(chǎn)生的熔池分別沿掃描、橫向和構(gòu)建方向具有更短、更寬和更淺的尺寸。對于LE（縱向橢圓）輪廓，情況正好相反。

(2)在激光跟蹤過程中熔池的連續(xù)運動通過基材中部分熔化的先前晶粒的外延生長促進柱狀晶粒的形成。柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的特征是熔池活化（即部分熔化）的晶粒數(shù)量及其生長方向，這些晶粒由熔池尺寸和幾何形狀控制。柱狀晶粒的生長方向遵循從熔池到基體的最大熱流方向，因此在凝固過程中相對于其在熔池后緣的局部位置動態(tài)變化。

模擬的熔池形狀疊加在柱狀晶粒樣品的光學圖像上。（a）多個熔池邊界重疊，以顯示池與細長熔池形狀之間的重疊。（b）以虛線框為界的區(qū)域的近距離視圖，等溫線表示在該點形成的最大水池幾何形狀。（c） XZ平面的橫截面，具有與可觀測池邊界相對應的重疊固相線等溫線。

(3)LE光束形狀導致柱狀顆粒的紋理最強，其次是CG和TE顆粒。

(4)當激光開啟時，我們發(fā)現(xiàn)成核傾向與光束形狀幾何形狀之間存在很強的相關性：成核事件的數(shù)量隨著熔池寬度的增加而增加。TE剖面產(chǎn)生最大的成核事件。CG和LE配置文件給出的結(jié)果幾乎相似。研究結(jié)果與現(xiàn)有的實驗觀察結(jié)果一致，即TE剖面在更大的參數(shù)空間上產(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。

（a-h）熔化單個點期間的瞬態(tài)溫度和速度場，初始底溫度為1273 K。（a–d） 加熱期間 0.0-0.25 ms （e–h） 點的冷卻。所有圖像都使用相同的溫度等值線和速度矢量刻度，如圖頂部所示。

(5)成核機理由熔池的幾何特征決定：TE具有最寬的過冷區(qū)（小熱梯度（G）和大液固界面速度（R），因此G/R�。┖捅菴G和LE束更高的成核傾向。

(6)當激光器關閉時，我們發(fā)現(xiàn)成核傾向與熔池深度之間存在很強的相關性：成核傾向隨著熔池深度的增加而增加。因此，TE曲線產(chǎn)生的成核事件最少。

(7)將熔池幾何形狀與微觀結(jié)構(gòu)控制相關聯(lián)的最后兩個發(fā)現(xiàn)可以推廣到激光功率和掃描速度的任意組合。

(8)對參考凝固圖上G和R的相對位置和時間遷移的定量分析與CA結(jié)果密切相關，即使凝固速度很快且不處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(9)在解釋二維截面平面中等軸晶粒的形成時應謹慎（即使對晶粒取向進行EBSD表征），因為我們發(fā)現(xiàn)等軸形態(tài)在沒有成核事件的情況下出現(xiàn)，當晶粒從平面外生長時�；�于物理的三維微觀結(jié)構(gòu)模型可以規(guī)避在三維微觀結(jié)構(gòu)的實驗表征中遇到的這種不確定性。

該方法和結(jié)果可以通過調(diào)制激光束強度和時間分布來促進L-PBF AM期間的有效的現(xiàn)場特定微觀結(jié)構(gòu)控制。此處顯示的相對簡單橢圓形狀的結(jié)果可以幫助建立更復雜梁形狀的模型，從而通過晶粒結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化材料和機械性能。雖然我們的重點是連續(xù)激光在AM中的應用，但激光關閉時的瞬態(tài)分析對于脈沖模式激光應用和理解“skywriting”掃描策略中軌道末端的微觀結(jié)構(gòu)行為是有用的。

來源：Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053

參考文獻：Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions, Nat. Mater. (2019); 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry, Wohlers Associates, Fort Collins, 2018.；Progress towards metal additive manufacturing standardization to support qualification and certification, JOM, 69 (3) (2017), pp. 439-455