頂刊《Acta Mater》：光束整形策略對LPBF增材制造合金顯微組織的影響

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文為大家介紹材料類頂刊《Acta Materialia》中所介紹的在三種不同的激光光束形狀下進行單道激光增材制造316L不銹鋼時的顯微組織的演變規(guī)律。

圖0 成果的Graphical abstract

增材制造技術（AM）是一種革命性的技術，在制造復雜形狀的且可以通過顯微組織的調(diào)控來實現(xiàn)機械性能的定制上具有獨特的優(yōu)勢。AM制造面臨的最大的一個挑戰(zhàn)就是如何控制防止產(chǎn)生柱狀晶（長度方向）的生長，這一晶粒形貌在AM制造金屬部件的時候比較常見。在本文中，我們?yōu)榇蠹以忈屃艘环N顯微組織的調(diào)控機理，用來控制形成等軸晶（縱橫比接近1），采用的是激光光束整形策略。這一策略需要精確的熱輪廓，這一輪廓只能使用先進的預測模擬技術，耦合全激光光束掃描軌跡、超快熔池的流體動力學和用于晶粒生長的細胞自動機來實現(xiàn)的。我們使用高斯圓形光束和橢圓形光束（橫向和縱向）的激光光束模式來進行粉末床激光增材制造316L不銹鋼來研究等軸晶的過渡。我們給大家展示了產(chǎn)生等軸晶通過孕育事件同橢圓形激光束作用下的大的光束相關的傾向。此外，我們還揭示了在諸如激光束開關的條件下這種瞬時狀態(tài)顯微組織形成的不同機制。柱狀晶是很難在掃描開始的時候進行阻止，其生長的形貌在沒有熱的時候，顯示在熔池寬度和深度條件下是熱過冷的時候。我們期待這一局部光束整形用于顯微組織調(diào)控的物理機制的理解將會對將來復雜的光速形狀的設計以及光束調(diào)制產(chǎn)生影響。

背景介紹
增材制造（AM）是異種革命性的制造技術。其中粉末床激光增材制造（LPBF或SLM）是制造金屬的一種比較流行的技術。AM-LPBF技術所面臨的一個比較大的挑戰(zhàn)是如何調(diào)控顯微組織以實現(xiàn)對制造部件機械性能的定制。更為重要的是，理解和控制打印部件的顯微組織將最終使得我們可以定制顯微組織以實現(xiàn)通過傳統(tǒng)工藝不能實現(xiàn)的性能。

圖 1 集成的模擬框架圖來研究激光光束能量的輪廓（即光束形狀）對在進行單道沉積316L不銹鋼粉末的時候的凝固組織影響的示意圖。其中ALE3D是 Arbitrary Lagrangian–Eulerian three-dimensional首字母的縮寫; CA為Cellular Automaton首字母的縮寫。

主要的顯微組織特征，如晶粒尺寸、凝固形貌（如平面晶、胞晶和枝晶等）以及增材制造金屬部件時晶粒的織構，顯著地影響著諸如強度、韌性等機械性能。柱狀晶和等軸晶是Fe基、Ni基和Ti基等合金中的凝固區(qū)域中較為常見的兩種凝固組織。柱狀晶較為粗大而等軸晶則較為細小。巨大的柱狀晶可以用來提高蠕變抗力或用來制造強織構和用于特定用途的各向異性的部件的制造。另外一方面，除了Hall-Petch強化之外，細小的等軸晶可以提高近表面的疲勞壽命和晶間裂紋擴展的阻力。因此，采用AM技術進行工程目的的特定性能的制備，可以通過控制柱狀晶和等軸晶的相對體積分數(shù)和在制備過程中的空間分布來實現(xiàn)。

圖2  在基材為316L不銹鋼的時候實驗測量得到的晶粒結構。

柱狀晶和等軸晶之間的過渡可以通過熱溫度梯度和凝固生長速率的空間-時間變化來體現(xiàn)。晶粒結構的定制可以通過選擇適宜的加工參數(shù)來實現(xiàn)對凝固參數(shù)的控制來實現(xiàn)。例如，Dehoff等人展示了定制凝固模式的能力以及對織構的控制，是通過電子束AM制造Ni基合金In718的掃描策略來實現(xiàn)的。在他們的研究中，通過在脈沖和連續(xù)電子束之間的掃描策略的快速切換和控制電子束的運動來實現(xiàn)的，通過這一方法，作者可以有效地在沉積層實現(xiàn)織構，是通過控制織構的位置來實現(xiàn)的。

圖3   使用DREAM.3D在基材上生成的統(tǒng)計得到的等效晶粒結構

除了上面提到的掃描測量可以實現(xiàn)對組織的控制之外，激光光束能量在空間和時間上的調(diào)制將會提供用于定制晶粒結構的手段。激光光束強度輪廓（即光束形狀）可以通過鏡片進行非常容易的調(diào)制，如變形棱鏡對（anamorphic prism pairs）和雙光束多路復用器來進行顯微組織的控制。Roehling等人展示了圓形高斯（ＣＧ）光束和橢圓形的激光強度分布在激光功率、掃描速度和光斑尺寸變化時對單道增材制造316L（SLM工藝）的影響。橢圓形的激光束平行于主軸掃描（長度方向，用LE表示）和垂直于掃描方向（橫向，用TE來表示）。結果發(fā)現(xiàn)，橢圓形的激光束對凝固組織產(chǎn)生非常重要的影響，由此晶粒形貌可以通過局部的光束形狀（即變化光束強度的輪廓）而維持激光功率和掃描速度不變來實現(xiàn)。更為重要的時，TE模式的光束具有產(chǎn)生等軸晶或等軸晶－柱狀晶混合的能力，且可以同CG光束模式相比具有更大的加工參數(shù)空間。

圖4　在 L-PBF單道增材制造316L時，晶粒結構的變化。


圖5 在不同激光光束條件下，在t=243μs的時候，得到的熔池形狀的比較 。

本文的目的就是為大家詮釋主要凝固顯微組織特征控制相關的物理機制，如形貌（等軸晶Vs柱狀晶）、尺寸和晶�？棙嫞�通過光束的形狀來改變。由于L-PBF工藝具有高度瞬時和局部加工的特點且具有多個復雜的物理效應（即熔池中劇烈的熔體流動、蒸發(fā)、快速凝固、熱循環(huán)等），以上因素綜合在一起對優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)，準確的捕獲凝固顯微組織的動態(tài)變化和僅僅通過試錯法將獲得的顯微組織同工藝參數(shù)關聯(lián)在一起。本文的辦法是利用高可信度的粉末尺度的模型耦合到細胞自動機中進行孕育和晶粒生長的分析。該模式應用激光光束的路徑來描述激光－材料的相互作用和精確的模擬任何光束形狀的熱形狀的模擬（見圖１ａ－ｂ）。本框架預測的質(zhì)量取決于原位吸收的測量的有效性和不同材料實驗時熔池深度的比較。

圖6 激光光束變化時在水平(a-c)和橫向 (d-f) 的條件下得到的橫截面的凝固晶粒組織。

結果

模擬結果顯示柱狀晶的外沿生長的競爭和孕育和在熔化區(qū)中等軸晶的生長同熔池形狀和激光掃描時的動態(tài)演變相關，從而可以通過激光束的改變進行控制。晶粒的平均尺寸和強度受熔池的影響，當激光強度輪廓隨著從長度方向的橢圓形（LE）、圓形高斯（CG）和橫向橢圓形（TE）降低，孕育隨著熔池寬度和深度增加，激光開關時也是如此。尤其是，這一熔池形狀的影響預計同激光功率和掃描速度相關。

圖7 在長度中心方向的橫截面的凝固的晶粒組織和相應的晶粒形貌的織構（利用IPF倆表示，此處制造方向（BD）投射到每一晶粒的晶粒參考方向上）為在不同的光束形狀的前提下進行制備。MRD表示隨機密度的倍數(shù)（multiples of a random density）。

首先使用EBSD技術對基材晶粒結構進行表征，包括晶粒尺寸及其分布以及晶體織構進行了表征，結果見圖2所示。顯微結構的統(tǒng)計結果作為DREAM.3D的輸入?yún)��?shù)來生成基材上統(tǒng)計的等效的協(xié)調(diào)晶粒組織。如圖3所示，顯微結構的統(tǒng)計結構進行了復制。

圖8 單道激光掃描進行增材制造316L不銹鋼的時候，晶粒組織的演變，包括柱狀晶通過等軸晶的部分熔化（輕藍色）生長以及孕育的晶粒（彩色的IPF）。激光束的強度輪廓：TE表示橫向的橢圓形（ (transverse elliptical)），TE (transverse elliptical)

在單道L-PBF制備316L的時候，晶粒結構的演變通過三維的2D橫截面來展示，包括X-Y切面的平面（原始基材表面之下8µm），沿著長度方向的X-Z界面和橫向的截面（在垂直點線圖4（a）中的X=350µm）處。非常明顯，在單道L-PBF工藝過程中，高度局部凝固過程中受到移動的熔池的瞬時特征的限制。研究發(fā)現(xiàn)，熔池的形貌特征同激光束的形狀非常敏感，這可以用圖5中不同激光束下的熔池的視覺效果來表征。不同激光束作用下的橫截面鏡面的熔化邊界顯示出來。

圖9 隨著激光束形狀的變化而得到的晶粒結構。

盡管我們所展示的結果是激光增材制造316L時在單道激光、非均勻的、熔化區(qū)域的各向異性的結果，三種不同的激光束形狀下均如此，并將在全制造時也是如此�？雌饋砻恳�2D橫截面的凝固晶粒組織結構是由混合的柱狀晶和等軸晶所組成。其數(shù)量密度、尺寸、空間分布以及柱狀晶和等軸晶的相對體積分數(shù)等，然而，隨著激光束形狀的改變，其變化非常明顯。

圖10 通過在熔化區(qū)域孕育形成的晶粒的空間分布和數(shù)值密度。其中X表示掃描方向，Y表示橫向的方向，Z表示增材制備的方向。透明的灰色平面顯示的石在激光掃描之前基材的表面。

圖11溫度梯度G的瞬時變化和液-固界面速度R在三種不同的激光束形狀作用下的結果。局部的G和R的計算石在給定的時間下進行模擬的網(wǎng)格點石從液體和固體之間的蘑菇區(qū)選取的。

圖12 擇優(yōu)的孕育點（從底部觀察時相對紅色的熔池）在不同的光束形狀下得到的空間分布情況，t=323微秒。



圖13 激光光束形狀變化時熔池形狀的變化。

結論：

激光光束形狀對熔池形狀時間上的演變以及在激光增材制造單道沉積316L不銹鋼的時候得到的凝固晶粒的三維結構（尺寸、形貌、晶粒織構）使用耦合的ALE3D-CA進行了系統(tǒng)的研究，得到的主要結論如下：

(1)同圓形的高斯光束（CG (circular Gaussian)）相比較，橫向橢圓（TE (transverse elliptical) ）光束作用下會沿著掃描方向、橫向和制造方向分別產(chǎn)生比較短、寬、窄的尺寸。在長度方向（TE (transverse elliptical) ） 所得到的結果剛好相反。

(2)在單道激光作用下熔池的連續(xù)移動促進柱狀晶通過外延的部分熔化的處于基材的先生晶粒來生長。柱狀晶通過晶粒激活（部分熔化）的數(shù)量來表征，通過熔池和他們的生長方向來激活，這主要受熔池尺寸和形狀所控制。柱狀晶的生長方向遵從自熔池到基材的最大熱流方向，并且由此動態(tài)的變化，同凝固過程中熔池后部邊緣的局部位置相關。

(3)LE激光光束形狀會造成柱狀晶的最為強烈的織構，緊隨其后的為CG和TE模式�！�

(4)當激光開啟的時候，我們發(fā)現(xiàn)孕育的傾向同光束形狀密切相關。孕育的數(shù)量隨著熔池的寬度的增加而增加。TE輪廓產(chǎn)生幾乎相似的結果。CG和LE的輪廓也產(chǎn)生幾乎相似的結果。這一發(fā)現(xiàn)同現(xiàn)存的觀察結果一致，即，TE輪廓的激光束產(chǎn)生等軸晶或混合等軸晶與柱狀晶，在較大的參數(shù)范圍內(nèi)均如此。

(5)孕育機理通過熔池的形狀特征來進行顯示：TE具有最為寬廣的過冷區(qū)間（小的熱溫度梯度G和大的液體-固體界面速度，由此得到小的G/R）和同CG與LE形狀的光束相比，得到高的孕育傾向。

(6)當激光束關閉的時候，我們發(fā)現(xiàn)孕育傾向和熔池深度之間的強相關：孕育傾向隨著熔池的深度而增加。結果，TE形狀的激光束會產(chǎn)生較少的孕育事件。

(7)最后的兩個發(fā)現(xiàn)是熔池的形狀到顯微組織的控制之間的關系會產(chǎn)生激光功率和掃描速度之間的關聯(lián)性。

(8)相對位置和G與R在參考的凝固圖中的瞬時遷移同CA的結果相關，即使是通過快速凝固和非穩(wěn)態(tài)的時候也是如此�！�

(9)在實踐的時候必須小心的是，當解釋２D橫截面（即使是使用EBSD的手段對晶粒的方位進行表征）的等軸晶粒形成的時候，由于我們發(fā)現(xiàn)等軸晶像是在孕育不存在的時候發(fā)生的，當晶粒在平面外生長。物理手段為基礎的顯微組織模型可以規(guī)避在實驗手段表征3D顯微組織時所面對的問題。

圖14 不同的光束整形結果的案例。

這一策略和研究結果將有利于在L-PBF增材制造的時候實現(xiàn)指定區(qū)域的顯微組織的定制，這一定制通過激光光束的強度和時間的輪廓變化的調(diào)制來實現(xiàn)的。研究結果也表明對相對簡單的橢圓形光束來說可以幫助進行模擬更加復雜的光束形狀，從而可以通過晶粒結構工程來優(yōu)化材料和機械性能。當我們聚焦在連續(xù)激光進行增材制造的時候，激光開關光這種瞬時狀態(tài)的分析可以用于脈沖激光的分析和理解在類似空間揮毫掃描模式下的顯微組織的行為。


文章來源：
Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy,Acta Materialia,Volume 184, 1 February 2020, Pages 284-305,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053以及Civan網(wǎng)站

參考資料：The analysis of the laser beam shape of the fundamental Gaussian mode by testing the numerical angular spectrum technique,Optics & Laser TechnologyVolume 118, October 2019, Pages 75-83,https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.05.001