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。本文为第二部分。
3.2.晶粒结构（外延晶粒生长和成核）随激光束形状的演变
3.2.1.横向椭圆（TE）梁下的凝固晶粒生长
通常，发现TE束比LE或CG束产生更多的成核事件。与非有核情况类似，三维晶粒结构的演变也体现在水平（图9（a），（c）和（e）），中心纵向（图9（b），（d）和（f））和横向（图9（g）-（j））横截面中。为了区分基底中的先前晶粒和融合区成核形成的新晶粒，后者根据反极图（IPF）着色，其边界为深红色。从水平横截面来看，有核晶粒似乎倾向于在熔池中心线附近形成，并随着其后缘的迁移而增长。从中央纵向和横向横截面开始，这些晶粒沿构建方向（z）优先生长。我们注意到，通过成核形成的晶粒在给定的二维横截面中可能表现出柱状和等轴形貌，如图9（j）所示。
图 9 在316L-SS的单激光轨迹AM期间晶粒结构的演变，包括通过部分熔化的先前晶粒（浅蓝色）的外延生长和有核晶粒的生长（在IPF方案中着色）形成柱状晶粒。激光束强度分布：TE（横向椭圆）。
3.2.2.激光束形状对熔池成核和生长的影响
图10比较了三种不同激光束形状的凝固晶粒结构。融合区新晶粒的成核和生长中断了相邻晶粒的外延生长。在图11中，我们对有核晶粒进行颜色编码，以将它们与基质中的先前晶粒区分开来。很明显，新晶粒的数量密度、大小、形态和空间分布随激光束形状而变化很大。与TE束相比，CG束（65）和LE束（64）的成核晶粒数量几乎相等，而TE束的成核事件（99）约为1.5倍（见图14（a）），这表明TE束具有比其他两个束更高的成核倾向。
图 10 所得晶粒结构作为激光束形状的函数。
图 11 融合区成核形成的晶粒的数量密度和空间分布。X：扫描方向，Y：横向，Z：构建方向。透明的灰色平面表示激光扫描前的基板表面。
值得注意的是，与TE束相比，具有CG束的有核晶粒（图11（a））相对粗糙且占据更大的体积。原因有二：首先，CG的成核频率低于TE束，前者的成核事件总数较少;其次，CG梁的熔池比TE梁更深。这两个因素共同为有核晶粒提供了更多的时间和空间，使其在来自相邻有核晶粒的干扰较小（通过硬冲击）的情况下生长，从而使CG光束的有核晶粒结构更粗糙。
分析了基底中受熔池影响的先前晶粒和通过成核形成的新晶粒的CG，TE和LE束。相应的{001}极图如图12（a）、（b）和（c）所示。当激光束形状从CG、TE变为LE时，织构指数表征的织构强度在0.407（0.421）、0.292（0.307）和0.478（0.549）之间变化。与第3.1.3节中禁用成核的情况相比，新晶粒的形成使CG，TE和LE的织构强度分别降低了3.33%，4.89%和12.9%。织构强度降低的差异证明光束整形会诱发先前晶粒和有核晶粒之间的生长竞争。有核晶粒的晶体取向是随机选择的，这削弱了纹理的强度。有核晶粒的生长与基底中部分熔化的先前晶粒的外延生长竞争，从而降低了它们的细长生长，从而降低了整体质地。
图 12 （A-C）在不同激光束形状下受熔池影响的晶粒（即晶粒在熔融区发生部分熔融和外延生长或在融合区成核生长）的晶体纹理（用极图{001}表示）。纹理指数用于量化纹理的强度。
4.讨论
凝固晶粒生长模拟表明，激光束整形对凝固晶粒结构有显著影响，是控制L-PBF AM或任何其他基于能量束的AM技术中微观结构的可行策略。不同光束形状下生长形态的差异可以使用基于热梯度（G）和液固界面速度（R）的传统定义的基于几何的论证来解释。
R=0.1时PBF（激光）、PBF（EBM）和电线（DED）的应力（S）与失效周期（N）（S-N）数据汇总。显示了铸造、锻造加工数据的金属材料性能开发和标准化（MMPDS）数据，以便进行比较。
最近的一篇综述总结了PBF（激光）加工、PBF（EBM）加工和DED加工Ti-6Al-4V的应力控制疲劳行为，以及表面粗糙度（例如，构建与加工）和缺陷（例如，构建与HIP）的影响与使用加工表面测试的铸造和锻造Ti-6Al-4V相比。上图包括来自该工作的数据除了最近对PBF（EBM）Ti-6Al-4V，在应变控制下进行，以捕捉迄今为止观察的本质。
Körner等人使用晶格玻尔兹曼法（LBM），假设电子束熔化过程可以用2D表示。这种方法的一大障碍是考虑温度时会发生严重的数值不稳定性。Körner使用多分布函数方法在流体密度不强烈依赖温度的假设下减少这些限制。该方法已在二维中应用于研究单层和逐层固结，并显示了粉末填料对熔体特性的重要性。他们对不良球效应的观察归因于当地的粉末排列。最近，在Ref中添加了一个二维蒸汽反冲压力模型，以改进熔体深度预测。马兰戈尼效应被忽视了。使用不包括后坐力、马兰戈尼或蒸发效应的 3D 模型来建立适合减少构建时间和成本的工艺策略，同时实现高功率电子束应用。
用于开发用于结构应用的增材制造合金的集成多尺度方法。
尽管发现了与方向相关的疲劳行为，并且加工和抛光表面也实现了一些性能改进，但与其他数据相比，性能非常差被认为是由工艺引起的缺陷造成的。参考文献表明，在优化Ti-6Al-4V的PBF（激光）工艺后，通过加工竣工表面获得的疲劳数据得到了显著改善，支持了这一假设。精细α微观组织导致铸造+HIP材料的疲劳性能优于MMPDS参考数据，而马氏体组织的性能低于MMPDS参考数据。在650°C/3 h下进行热处理略微改善了已建成粗糙表面的疲劳行为，并且（粗糙）表面似乎再次开始开裂。在650°C/4 h下进行热处理以及机加工/电火花加工/喷丸/喷砂表面产生的疲劳性能接近铸造+ HIP MMPDS数据的疲劳性能。
4.1.G和R随激光束形状的变化
在本研究中，为了了解G和R对凝固形貌（柱状与等轴）的影响，在给定时间快照下，计算了从液相线和固相线之间的糊状带获取的模拟网格点的局部G和R。然后将提取的G和R值绘制在316L-SS的参考凝固图上。图13显示了每种激光束形状的316L-SS参考凝固图上G和R的时间演变。每个数据点的颜色对应于时间快照。将所有提取的G和R对包围起来的边界绘制并叠加在参考凝固图上。凝固图上定义的区域对应于晶粒形态：完全等轴（低 G、高R）、混合或全柱状（高G、低R）。
图 13 三种不同激光束形状下温度梯度G和液固界面速度R的时间变化。
对凝固图上G-R 对分布的检查表明，大多数G-R 对在激光轨迹开始时落入全柱状区域，并且随着轨道的进行，它们逐渐移动到混合区域，越来越接近完整的等轴区域。G-R动态变化的这种趋势也可以从G-R边界下部的迁移中观察到在这两个不同的时间时刻。可以清楚地看到，带有TE光束的G-R比其他两个光束更早地进入混合区域。此外，TE光束混合区域中的G-R对数量大于其他两个光束。为了量化这一趋势，我们进一步计算了位于混合区域内的G-R 点数量的百分比。当t=83μs时，CG、TE和LE光束位于混合区域内的G-R点的百分比分别为0.0%、6.9%和0.5%；当t=243μs时，这些值分别为2.3%、5.6%和1.9% 对于CG、TE和LE波束。因此，TE束的成核发生得更早、更频繁，如下图14（a）所示。
图 14 （a）：三种不同光束形状下成核事件总数的时间变化，（b）：在给定时间时刻比较三种不同光束形状的G-R，显示G和R与TE光束更接近全等轴区域，因此成核倾向高于其他两个光束。（c）：成核过冷的影响ΔTN关于总成核事件和（d）凝固图。括号中的数字表示成核事件的总数。
图14（a）表明TE束的成核发生得更快，并且比其他两种光束形状更频繁。TE束的成核倾向较高可归因于以下事实：在给定的时间时刻，TE束下方G-R边界的下部比其他两个光束更接近等轴区域（图14（b））。
4.2.成核机理分析
凝固微观结构从平面、蜂窝、柱状到等轴树枝状不等，G减小，R增大，相当于G/R比值减小。如图15（a）所示。
图 15 成核机理的解释：（a）显示固液界面速度R沿熔池边界的空间变化的示意图，（b）显示温度梯度G沿熔池边界的空间变化的示意图，（c-e）：不同光束形状的熔体轨迹水平二维切片（在基板表面），显示温度等值线（在熔化温度和1600 K下）和固/液界面速度R。
为了了解光束形状的影响，我们遵循了与图15（a-b）类似的分析，并绘制了两个代表性的等温线，作为熔体轨道基体表面的CG，TE和LE轮廓的二维横截面（图15（c），（d）和（e））。我们观察到，TE在这两条等高线之间的中心线上具有最大的距离分离（这当然适用于其他轮廓线选择），因此熔池背面的G较小，R值较大（图15（d））。基于这两个几何参数，TE具有最宽的过冷区（低G和高R或等效的低G/R），因此成核倾向高于其他两个光束。此外，通过观察从底部观察熔池上有核晶粒的分布（见图16），很明显，新晶粒优先形成在熔池的背面和底部，阻挡了柱状树突，并且在TE束下的数量密度最高（图16（b））。此外，图15（c）和（e）在G和R方面的差异可以忽略不计，因此表明CG和LE束在成核倾向方面将给出相似的响应。
图 16 分析不同光束形状的优先成核位点的空间分布（相对于从底部看的红色熔池）
4.3.光束整形策略对不同工艺参数的依赖性
到目前为止，我们的结果基于固定的激光功率和扫描速度。我们希望我们的结论能够推广到任何激光功率和扫描速度，因为驱动不同光束形状之间微观结构形态差异的是由此产生的熔池几何形状。
图17（a）中给出的结果证实了与激光功率和扫描速度无关的三个共同特征：
(1)TE束的成核开始时间比其他两种波束形状（CG和LE）更早;
(2)TE束的成核事件数量增加速度也比其他两种波束形状更快;
(3)TE 光束产生最多的成核事件。
图 17 （a）在激光功率为350 W、扫描速度为0.75 m/s的情况下，关闭激光之前成核事件总数的时间变化。括号中的数字表示成核事件的总数。
4.4.激光源关闭后成核机制的变化
当激光器关闭时，熔池中的成核机制发生变化，从而不再仅由光束形状几何形状驱动。图18证实，CG和LE光束比TE光束产生更多的成核事件，超过激光关断。CG和LE光束产生比TE光束更深的熔池（见图19），这是光束和扫描方向正交排列的直接结果。在没有任何输入热源的情况下，熔池继续失去热量，热过冷度增加。由于对于CG和LE情况，凝固前沿需要更多的时间到达表面，因此熔池的热过冷度接近平均过冷度ΔTN，这触发了更多的成核事件。因此，对于给定的平均热过冷度ΔTN，柱状到等轴转变在更深的熔池中更为有利，即更大的熔池。这意味着，对于TE和其他梁形状（如平顶），往往会产生浅熔池，轨道末端的微观结构将主要为柱状。
图 18 两组加工参数（a）关闭激光后成核事件总数的时间变化。
图 19 熔池几何形状与激光束形状的函数关系。
4.5.可变性和不确定性的量化
应该注意的是，上述关于激光束整形策略的结论是基于在具有特定初始结构的基板上构建的一小段轨道的结果。为了量化由于不同的基板晶粒结构而导致的研究结果的可变性和不确定性，我们进行了两次额外的模拟，每次模拟都从统计上不同的基板晶粒结构开始，与上述模拟中使用的激光功率为350 W和扫描速度为1.8 m / s的情况不同。
4.6.模拟与实验的比较
我们对两组加工参数的结果表明，当激光打开时，TE光束的成核开始比其他两个光束（CG或LE）更早，更频繁。例如，对于第一组加工参数（功率 300 W，速度 1.8 m/s），CG、TE 和 LE 剖面的有核晶粒数分别为 37、88 和 29（图 14（a））;对于第二组（功率 350 W，速度 0.75 m/s），这些数字分别表示 CG、TE 和 LE 配置文件的 901、1355 和 822（图 17（a））。
4.7.模型的局限性
这里值得指出的是，由于存在极高的温度梯度（即大约 106 ~ 109K/m）。实际上，对于所研究的所有三种强度曲线（即CG，TE和LE），模拟研究中使用的两组加工参数（即激光功率300 W，扫描速度1.8 m / s和激光功率350 W，扫描速度0.75 m / s）观察到柱状树枝状凝固。形成等轴晶粒的另一种可能机制是枝晶尖端碎片上的异质成核。这可能是由于枝晶侧臂相对狭窄的根部的宪法重新熔化造成的;然后可以将分离的侧臂输送到散装液体中，作为有利的成核位点。准确预测这种成核机制需要正确的模型输入参数，这在实验中验证非常具有挑战性。然后，我们的方法是通过增加CA算法中的成核密度并研究由此产生的对生长形态的影响来有效地聚集所有成核原因。
5.总结
采用耦合ALE3D-CA方法系统研究了激光束形状对316L不锈钢（SS）单轨激光粉末床熔融（L-PBF）AM过程中熔池几何形状的时间演变以及三维（3D）凝固晶粒结构（尺寸、形貌和晶体纹理）的影响。详细发现包括：
(1)与CG（圆形高斯）光束相比，TE（横向椭圆）光束产生的熔池分别沿扫描、横向和构建方向具有更短、更宽和更浅的尺寸。对于LE（纵向椭圆）轮廓，情况正好相反。
(2)在激光跟踪过程中熔池的连续运动通过基材中部分熔化的先前晶粒的外延生长促进柱状晶粒的形成。柱状晶粒结构的特征是熔池活化（即部分熔化）的晶粒数量及其生长方向，这些晶粒由熔池尺寸和几何形状控制。柱状晶粒的生长方向遵循从熔池到基体的最大热流方向，因此在凝固过程中相对于其在熔池后缘的局部位置动态变化。
模拟的熔池形状叠加在柱状晶粒样品的光学图像上。（a）多个熔池边界重叠，以显示池与细长熔池形状之间的重叠。（b）以虚线框为界的区域的近距离视图，等温线表示在该点形成的最大水池几何形状。（c） XZ平面的横截面，具有与可观测池边界相对应的重叠固相线等温线。
(3)LE光束形状导致柱状颗粒的纹理最强，其次是CG和TE颗粒。
(4)当激光开启时，我们发现成核倾向与光束形状几何形状之间存在很强的相关性：成核事件的数量随着熔池宽度的增加而增加。TE剖面产生最大的成核事件。CG和LE配置文件给出的结果几乎相似。研究结果与现有的实验观察结果一致，即TE剖面在更大的参数空间上产生等轴或混合等轴柱状晶粒。
（a-h）熔化单个点期间的瞬态温度和速度场，初始底温度为1273 K。（a–d） 加热期间 0.0-0.25 ms （e–h） 点的冷却。所有图像都使用相同的温度等值线和速度矢量刻度，如图顶部所示。
(5)成核机理由熔池的几何特征决定：TE具有最宽的过冷区（小热梯度（G）和大液固界面速度（R），因此G/R小）和比CG和LE束更高的成核倾向。
(6)当激光器关闭时，我们发现成核倾向与熔池深度之间存在很强的相关性：成核倾向随着熔池深度的增加而增加。因此，TE曲线产生的成核事件最少。
(7)将熔池几何形状与微观结构控制相关联的最后两个发现可以推广到激光功率和扫描速度的任意组合。
(8)对参考凝固图上G和R的相对位置和时间迁移的定量分析与CA结果密切相关，即使凝固速度很快且不处于稳定状态。
(9)在解释二维截面平面中等轴晶粒的形成时应谨慎（即使对晶粒取向进行EBSD表征），因为我们发现等轴形态在没有成核事件的情况下出现，当晶粒从平面外生长时。基于物理的三维微观结构模型可以规避在三维微观结构的实验表征中遇到的这种不确定性。
该方法和结果可以通过调制激光束强度和时间分布来促进L-PBF AM期间的有效的现场特定微观结构控制。此处显示的相对简单椭圆形状的结果可以帮助建立更复杂梁形状的模型，从而通过晶粒结构工程优化材料和机械性能。虽然我们的重点是连续激光在AM中的应用，但激光关闭时的瞬态分析对于脉冲模式激光应用和理解“skywriting”扫描策略中轨道末端的微观结构行为是有用的。
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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