鋁合金激光同軸熔絲增材制造的多晶形態(tài)演變機理

作者：高轉妮，占小紅*，師慧姿，黎一帆，李響，劉志強，王磊磊*

近期，南京航空航天大學激光焊接與再制造研究所博士生高轉妮（第一作者）、占小紅教授（通訊作者）、王磊磊副研究員（通訊作者）聯(lián)合無錫銳科激光團隊在材料成形領域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》（TOP期刊，IF=6.3）上發(fā)表了題為“Mechanism of columnar to equiaxed to lamellar grain transition during wire-laser directed energy deposition 205 C aluminum alloy utilizing a coaxial head: Numerical simulation and experiment”的研究論文。

鋁合金具有輕質高強、耐腐蝕性優(yōu)異等優(yōu)勢，在航空航天制造領域中備受青睞。激光同軸熔絲增材制造（LCWAM）采用光束整形技術，以絲材為沉積材料逐層熔化堆積，相比傳統(tǒng)旁軸送絲技術，具有高沉積速率、成形柔性程度高、前后運動成形質量一致等優(yōu)勢。然而，由于同軸送絲具有“光包絲”的特殊光絲作用形式，增材過程的產(chǎn)熱傳熱形式發(fā)生顯著改變，且鋁合金對激光具有較強的反射率和導熱率，導致目前特殊光絲作用形式下鋁合金晶粒生長形態(tài)及演化機理尚不清晰，這嚴重限制了鋁合金激光同軸熔絲增材制造的推廣與應用。

圖1 激光同軸熔絲增材制造技術原理圖

研究發(fā)現(xiàn)
1) 晶粒形態(tài)分布

當熱輸入（107.1 J/mm）與基板預熱溫度較低（160°C）時，在沉積層底部出現(xiàn)等軸細晶區(qū)。當熱輸入為166.7 J/mm和基板預熱溫度為160°C~230°C時，沉積層微觀結構主要由頂部層狀晶、中部等軸晶和底部柱狀晶組成。在低熱輸入（107.1 J/mm）、高熱輸入（194.4 J/mm）和高基板預熱溫度（300°C）下，沉積層頂部未出現(xiàn)層狀晶。在194.4 J/mm熱輸入下，沉積層內部表現(xiàn)出由底部柱狀晶和頂部等軸晶組成的典型增材組織特征。

圖2 不同熱輸入下沉積層橫截面上的微觀組織特征

圖3 等軸細晶和層狀晶形成機理

2) 析出相與元素分布

在107.1 J/mm熱輸入下，在等軸細晶區(qū)有少量Al2Cu第二相析出，析出相體積分數(shù)為13.75%。在166.7 J/mm熱輸入下，層狀晶區(qū)的析出相含量相對較少，析出相體積分數(shù)為6.52%，沉積層從頂部向下，在晶界附近有更多第二相析出，沉積層底部析出相體積分數(shù)為9.66%。

圖4 不同熱輸入下沉積層SEM圖像

3) 溫度場計算

隨著熱輸入增大，386.4°C對應的雙耳形等溫面長度逐漸減小，寬度逐漸增大，逐漸向基體兩側靠攏。隨著基板預熱溫度增加，呈前短后長半橢球形狀的357.8°C等溫面尺寸逐漸增大，當預熱溫度達到230°C時，等溫面形狀轉變?yōu)殡p耳形。隨著基板預熱溫度和熱輸入增加，沉積層峰值溫度和凝固速率（R）增加，而溫度梯度（G）和冷卻速率（G×R）減小。熱輸入的增加導致沉積層吸收熱量的能力變得更強，這是峰值溫度增加的原因。

圖5 不同工藝參數(shù)下沉積過程中部的溫度場和等溫面分布

4) 微觀組織模擬

當熱輸入較低（107.1 J/mm）時，在凝固初始階段，在熔池邊緣出現(xiàn)低溫液體邊界層。高熔點金屬化合物Al3Zr作為非均勻形核質點參與液體邊界層內的晶粒形核生長過程，最終在熔池的邊界上形成等軸細晶粒區(qū)。在隨后熔池凝固過程中，通過CET轉變完成整個沉積層的形核生長。此外，熔池內部存在柱狀晶到等軸晶再到層狀晶的演變過程，柱狀晶和等軸晶的初始生長階段表現(xiàn)出同步生長和相互競爭，具有CET轉變特點。隨著凝固過程的進行，沉積層頂部的高溫度梯度值和相對溫和的液體對流為層狀晶的形核生長提供了理想的環(huán)境。因此，在沉積層中部等軸晶粒的形核生長過程中，層狀晶開始在沉積層頂部等軸晶上方進行形核生長，并沿＜110＞方向向沉積層頂部平行生長前進。

圖6 不同熱輸入下沉積層微觀結構的實驗結果與模擬結果對比

研究結論

(1) 當熱輸入為166.7 J/mm和基板預熱溫度為160°C~230°C時，沉積層主要由熔池底部的柱狀晶、中上部的等軸晶和頂部的層狀晶組成，層狀晶主要出現(xiàn)在柱狀晶或等軸晶最前端，呈現(xiàn)多晶平行于局部熱流方向生長。在較低的熱輸入和基板預熱溫度下，在沉積層底部出現(xiàn)等軸細晶區(qū)。

(2) 位于沉積層頂部的層狀晶平均硬度值高于等軸晶，位于沉積層底部的等軸細晶平均硬度值略高于柱狀晶。

(3) 隨著溫度梯度和冷卻速率降低，一次枝晶臂逐漸粗化，一次枝晶間距和二次枝晶間距增大。模擬結果表明，柱狀晶、等軸晶和層狀晶之間存在相互競爭關系。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118208