来源：长三角G60激光联盟
导读：本文研究了使用高斯（圆形）和椭圆（横向和纵向）激光束形状对 316 L 不锈钢进行单轨激光粉末床融合加工期间柱状到等轴微观结构的转变。证明了通过成核事件产生等轴晶粒的倾向与椭圆横向激光束提供的大光束宽度相关。本文为第一部分。
摘要
增材制造（AM）有望通过局部微观结构控制生产具有定制机械性能的复杂零件，从而彻底改变制造业。主要挑战是控制或预防AM零件中普遍存在的柱状（细长）生长形态。在这里阐明了使用激光束整形策略促进有利的等轴晶粒的微观结构控制的机制。这需要精确的热剖面，只有使用先进的预测仿真才能捕获，该仿真将全激光光线追踪、超快流体动力熔体流动和晶粒生长的元胞自动机方法相结合。本文研究了使用高斯（圆形）和椭圆（横向和纵向）激光束形状对 316 L 不锈钢进行单轨激光粉末床融合加工期间柱状到等轴微观结构的转变。证明了通过成核事件产生等轴晶粒的倾向与椭圆横向激光束提供的大光束宽度相关。此外，揭示了瞬态状态下的不同微观结构演变机制。本文预计，这种对用于微观结构控制的局部光束整形物理学的基本理解将对未来的复杂光束形状设计以及光束调制产生影响。
图形摘要
1 介绍
增材制造（AM），也称为3D打印，是一种逐层创建三维实体物体的过程。长期以来，AM一直被认为是一种可以彻底改变制造业的技术，能够快速制造具有复杂和定制几何形状的物体，这些物体无法通过其他方式轻松经济地生产。激光粉末床熔融（L-PBF）是直接金属AM最常用的工艺。AM L-PBF 社区确定了一个新的具有挑战性的目标，即控制特定地点的微观结构，以生产具有定制机械性能的零件。更重要的是，了解和控制打印微结构的演变最终将允许定制组件微观结构，以实现传统加工无法实现的特性组合。
Q&C环境的示意图。
上图中的示意图说明了Q&C环境的高级元素。在技术实施的早期阶段，该行业通常必须完全依赖内部专有材料和工艺规范进行内部认证工作和监管机构的认证。此类内部文档的开发通常冗长且昂贵。随着SDO制定适当的规范和标准，公司可以在内部和外部文件之间进行选择。一般来说，使用行业公认的外部规范和标准可以简化监管机构的工作，并通过“公平竞争环境”来提高安全性，为AM等新技术的关键要素建立整个行业的最低可接受要求。例如，有兴趣使用该技术但可能没有足够的资源来制定全面的内部规范或标准的小型公司可以使用外部文档来实现强大的问答流程。
关键微观结构特征，即晶粒尺寸、凝固形态（如平面、蜂窝状和树枝状）和增材制造金属部件的晶体纹理，显着影响机械性能，如强度和延展性。柱状晶粒和等轴晶粒通常在由铁基、镍基和钛基合金制成的部件的凝固区域中观察到。前者通常较粗，而后者通常较小。大柱状晶粒可用于提高抗蠕变性或为特定应用制造强质构和各向异性。另一方面，除了霍尔-佩奇强化之外，还可以利用小的等轴晶粒来提高表面附近的疲劳寿命和抗晶间裂纹扩展能力。因此，通过控制柱状和等轴晶粒的相对体积分数及其在加工过程中的空间分布，可以实现增材制造金属部件的工程场地特定特性。
在沉积在Al 7475衬底上的Al-11.28 Si的DED-L制成的样品的纵向平面上显示了竞争性增长。
除了上述扫描策略外，空间和时间激光束强度调制还可以为特定位置的晶粒结构控制提供额外的自由度。激光束强度分布（即光束形状）可以使用简单的光学器件进行局部定制，例如变形棱镜对和用于微结构控制的双光束偏振复用器。
随着最近在电子束和激光增材制造方面所做的努力，定制微结构的先验参数选择的最终目标就在眼前。特定部位的微观结构控制具有许多实际应用，例如通过在表面或应力集中特征上施加刻意纹理来提高零件的疲劳寿命，或者制造具有功能分级机械性能的部件。2014年，Körner等人研究了铬镍铁合金拉伸样品中每十层不同的“交叉蛇”扫描模式与每一层的影响。作者发现，当凝固主要发生在建筑方向时，会形成柱状晶粒，而当凝固方向变化频繁时，会形成等轴晶粒。2015 年，Dehoff 等人通过在铬镍铁合金 718 块中开发被柱状颗粒包围的高度定向等轴晶粒来证明局部微观结构控制。研究人员在点热源和线热源之间快速切换，以操纵局部热梯度和固/液（s/l）界面速度。在激光增材制造中，通过使用多个激光源和不同的扫描策略，通过改变高达1000 W的激光功率[3]，也证明了一些微观结构控制。
（a） C-S、（b） LE-S 和（c） TE-S 轮廓形成的熔体轨迹形成的纵向横截面视图，其中激光扫描在正 x 方向上进行。
本工作的目的是阐明通过激光束整形控制关键凝固微观结构特征的主要物理机制，例如形态（例如，等轴与柱状）、尺寸和晶体学纹理。由于L-PBF是一个高度瞬态和局部的过程，具有多种复杂的物理效应（即熔池中的剧烈流体流动，蒸发，快速凝固和热循环等），这些影响结合在一起提供了一个具有挑战性的优化问题，因此仍然难以准确捕获动态演变凝固微观结构，并通过实验试错将所得微观结构特征与加工参数相关联。我们的方法是使用与元胞自动机（CA）耦合的高保真粉末尺度模型进行成核和晶粒生长。该模型采用激光光线追踪来描述沿动态演变的熔池表面的激光-材料相互作用，并模拟任何光束形状的精确热剖面（图1（a）-（b））。
图 1 研究激光束强度分布（即光束形状）对316 L不锈钢单轨激光粉末床熔融AM过程中形成的凝固晶粒结构影响的集成建模框架示意图。
2.建模框架
2.1.ALE3D模拟瞬态温度场和熔池几何形状
通过求解质量、动量和能量守恒方程，得到了SS-316 L单轨L-PBF过程中的三维瞬态温度场和熔池动力学。这是通过使用ALE3D代码来实现的，ALE3D代码是劳伦斯利弗莫尔国家实验室利用任意拉格朗日-欧拉技术开发的多物理场数值软件工具。该代码使用混合有限元（FE）和非结构化网格上的有限体积公式处理 3D 模型。
增量物理保真度，显著改变传热、熔池深度和流量。红色伪彩色对应于上限为4000K的温度标度，蓝色为293K。红色等高线是熔线。粉末颗粒被向右移动（速度 1 m/s）的激光（功率 150 W）照射 10 μs。熔体轨迹是3D模拟的2D切片（激光功率为200 W，扫描速度为1.5 m / s），展示了改进的物理建模对熔池的影响。
2.2.凝固晶粒结构的元胞自动机（CA）模拟
CA方法使用简化的成核和生长动力学定律模拟每个树枝晶粒的外部包膜的发育，而不是模拟树枝状图案的复杂发展（例如，树枝状树干和臂的网络）。面心立方晶体的凝固采用树枝状生长形态，其树干和臂沿<100>晶体方向排列。因此，树枝状颗粒的外部包络可以用3D八面体（2D中的正方形）表示，其主要半对角线由<100>方向定义，其中心位于CA单元的中心。
使用DREAM.3D和实验测量将初始底物晶粒结构馈送到CA模型。我们首先使用EBSD表征表征了基材中的晶粒结构，包括晶粒尺寸及其分布和晶体学纹理（见图2）。这组微观结构统计量作为DREAM的输入。3D在基材中生成统计上等效的合成晶粒结构。如图3所示，微观结构统计数据得到了很好的再现。（有关使用 DREAM.3D 生成晶粒结构的详细信息，请参阅补充材料）。
图 2 实验测量316 L不锈钢样品基底中的晶粒结构。
图 3 使用 DREAM.3D 生成的基材中统计等效的晶粒结构。
3.结果
我们研究了在316L-SS的单激光轨迹L-PBF工艺中凝固晶粒结构的发展，以确定形成的晶粒结构的关键特征及其对激光束形状的依赖性。考虑的激光功率和扫描速度分别为 300 W 和 1.8 m/s。凝固的晶粒可以有两种不同的形态，即大柱状晶粒和细等轴晶粒。前者是由于母体晶粒在熔池边界处的外延生长，而后者是柱状晶粒之前液体中新成核的晶粒。我们的方法是研究所得的凝固晶粒结构对有核和无成核的激光束形状的依赖性。
3.1.晶粒结构的演变（通过无成核的外延晶粒生长）作为激光束形状的函数
3.1.1.圆形高斯（CG）轮廓激光束下的凝固晶粒生长
单轨L-PBF工艺中晶粒结构的演变在三个二维横截面中得到证明，包括水平X-Y切片，纵向X-Z切片和横向切片（在如图4（a）中的垂直虚线所示）。
图 4 316L-SS单轨L-PBF AM期间晶粒结构的演变（a，c，e）：水平切片在8 μm基板表面以下，（b，d，f）：纵向切片，（g-j）：横向切片X=350μm.激光束强度分布：圆高斯（CG）。原始基材中的先前晶粒被涂成浅蓝色，相应的晶界（GBs）被涂成黑色。通过融合区成核产生的新晶粒使用IPF配色方案着色，相应的GB（即新GB）以深红色着色。液态细胞及其边界以红色表示熔池的边界。由蒸气（即孔隙）填充的细胞及其边界呈浅绿色。弯曲的白色虚线表示融合边界。
熔池几何形状的时间变化对凝固晶粒结构的发展（形貌和生长方向）有显著影响。从熔融边界（定义为未熔化金属和熔化金属之间的边界，用虚线曲线表示）与熔池边界底部在三个不同横截面处的相对位置，很明显熔池通过部分熔化的等轴基底颗粒的外延生长而凝固（见图4（a）、（b）和（g））。这些晶粒的外延生长从聚变边界开始，并随着激光轨迹的进展而向熔池中心前进。结果，这些颗粒变得细长并表现出柱状形态。柱状晶粒的生长方向似乎与移动的凝固前沿垂直，因此在其迁移过程中根据其在熔池后缘的局部位置动态变化（见图4（c），（d）和（h））。之所以出现这种生长行为，是因为晶粒的凝固方向倾向于与最大热流方向相反，而最大热流方向与熔池的凝固界面（即熔池在后缘的边界）垂直[16，32]。请注意，在具有随机取向晶粒的多晶材料中，通常不满足此条件;然而，由于平均晶粒尺寸远小于熔池的尺寸，竞争性增长将快速选择易于生长方向（即面心材料为 <100>）与固液界面处的最大热流方向紧密对齐的晶粒[9]。在熔池的渐进运动过程中，早期形成的柱状晶粒的外延生长伴随着活化（无屏障）和附加部分熔化晶粒的外延生长（见图4（e），（f）和（i））。熔池尺寸和形状（或局部曲率）以及由此产生的凝固晶粒结构随着激光扫描的进行而动态变化方向。例如，凝固晶粒生长以弯曲的形状进行，以便沿着熔池的尾边进行（图4（e））。
由于熔池沿扫描方向拉长，因此熔池边界的曲率在横向截面上比在中心纵向截面上的曲率更明显。因此，横向横截面的晶粒似乎朝着熔池的顶部中心呈径向增长方向（见图4（g）–（j））。相反，在纵向横截面中，由于熔池边界相对平坦，会产生几乎垂直取向的细长晶粒（图4（f））。
3.1.2.激光束形状对熔池几何形状的影响
从第3.1.1节可以明显看出，单轨L-PBF过程中高度局部化的凝固过程受到移动熔池的瞬态几何特征的约束。通过对不同激光束形状产生的熔池几何特征的详细比较，我们发现熔池的形态对激光束形状敏感，如图5中不同光束形状的熔池可视化所示。不同横截面上融合边界的位置和空间可变局部曲率反映了所用激光束的形状。从三个不同的横截面可以看出，TE光束产生的熔池比CG光束在其他相同加工参数下产生的对应物更浅（沿构建方向，图5（d）与（b））、更短（沿扫描方向，图5（c）与（a）））和更宽（沿横向，图5（h）与（g）的熔池。功率和扫描速度）。相比之下，LE光束产生的熔池比CG光束产生的熔池更深（沿构建方向，图5（f）与（b）），更长（沿扫描方向，图5（e）与（a）））和更窄（沿横向，图5（i）与（g））。
图 5 三种不同激光束形状下的熔池几何形状比较。
除了三种不同横截面所示的熔池尺寸差异外，熔池的局部曲率及其空间变化还取决于激光束形状。由TE梁产生的相对较浅和较宽的熔池的底部几乎是水平定向的（图5（d））。相比之下，LE束产生的相对较深和狭窄的熔池的特征在于熔池后缘有明显的空间可变曲率（图5（f））。CG梁在TE和LE梁产生的熔池之间产生中间熔池形状（图5（b））。
3.1.3.激光束形状对所得凝固晶粒结构的影响
尽管我们显示了单个轨道的结果，但对于所有三种不同的光束形状，在融合区内观察到不均匀的异质晶粒结构，并且将存在于完整的构建中。似乎每个二维横截面中的凝固晶粒结构由柱状和“等轴”晶粒的混合物组成。然而，柱状和“等轴”晶粒的数密度、尺寸、空间分布和相对体积分数随光束形状而显著变化（图6，7）。
图6 水平（a-c）和横向（d-f）横截面中的凝固晶粒结构作为激光束形状的函数。
图7 作为不同光束形状下中心纵向截面和相应晶体织构的凝固晶粒结构。
对于所研究的所有光束形状，融合边界附近的晶粒结构（如弯曲虚线所示）由细长的柱状晶粒主导，如所有三个横截面所示。例如，如横截面所示（图6（d）–（f）），柱状颗粒从熔合边界发出并朝向沉积物的弯曲顶面生长。这些晶粒（脱离融合边界）可能欺骗性地看起来具有等轴形态。由于到目前为止在模拟中禁用了成核，因此这些等轴状晶粒实际上是柱状晶粒，它们起源于面外位置并延伸到测量平面。因此，水平截面（即柱状和“等轴”晶粒的混合物）中晶粒结构的空间不均匀性与其他两个横截面的晶粒结构发展密切相关，后者也随激光束形状而显着变化。
熔体流动的时间快照显示了飞溅和剥蚀。
一方面，与其他两种光束形状（图6（d）和（f））相比，相对较宽的TE光束激活了更多部分熔化的晶粒，以便沿构建方向进行外延生长（图6（e））。另一方面，由于TE梁下的熔池几何形状相对平坦，活化晶粒之间的外延生长相对独立（即平行）。相反，在CG和LE梁下，横向横截面中的晶粒很容易被在其侧面发育的其他晶粒中断。因此，在TE梁下，有更多的晶粒从熔池底部发育并沿构建方向延伸一定距离，然后通过测量水平面进行切片，表现为在熔合区中心通过成核和生长形成的等轴晶粒。
大多数情况下，侧颗粒完全熔化并被困在过渡区域的流动中。原因是液体在凹陷边缘循环，类似于泪滴。在传统焊接中观察到这种模式。其中流动在红色（Vy < 0）和蓝色（Vy > 0）之间交替两次围绕凹陷边缘：一次在凹陷之前，指示远离激光光斑的运动，最后一次指示流体从侧面进入并连接形成过渡区域。这种圆周运动的直径比熔体轨道宽度宽。
由于基板中只有一小部分晶粒受到单个激光轨迹的影响，因此我们仅观察经历部分熔化和外延生长的晶粒。代表晶粒结构（受轨道影响）的{001}极图分别显示在图8（a）、（b）和（c）中，分别显示了CG、TE和LE光束。很明显，具有最大强度的极点（极图中的红色斑点）的位置随光束形状而显着变化，表明其对所得晶粒结构的影响。
图8（A-C）不同激光束形状下受熔池影响的晶粒（即晶粒发生部分熔融和外延生长）的晶体织构（用（001）极图表示）。
竣工PBF （EBM） Ti-6Al-4V样品的大面积EBSD显示裂纹扩展，与沿重建β晶粒。
工艺引起的AM缺陷和微观结构变化/变化会影响拉伸和韧性性能。然而，这些缺陷以及表面粗糙度和残余应力会主导循环行为，掩盖微观结构效应，并且会通过提供有效的疲劳起始位点以及叠加的有害残余应力来严重降低高周疲劳性能。
Kobryn&Semiatin在 LENS 加工（即 DED）上，Ti-6Al-4V 表现出超出铸造性能的HCF 行为，并且处于铸造 + HIP 和锻造退火 Ti-6Al-4V，还揭示了方向依赖性疲劳寿命。更多近期工作在LENS加工的Ti-6Al-4V上记录了缺陷主导的疲劳行为，表面裂纹和表面未熔化的颗粒产生断裂，以及未熔化颗粒的次表面疲劳萌生。与散装未熔化颗粒的次表面裂纹萌生相比，表面未熔化的颗粒将疲劳寿命缩短了一个数量级。然而，当通过优化LENS工艺参数，沉积和模拟修复条件都可能产生超过锻造、退火 Ti-6Al-4V 的下限且处于铸造 + HIP 材料的上限区域的疲劳寿命。
来源：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
参考文献：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
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