中外六校联合顶刊：新型激光增材制造技术实现钛合金晶粒细化和同步增强增韧

来源：增材制造硕博联盟

南京工业大学、南京理工大学、印度理工学院、日本岛根大学、江苏大学、伦敦玛丽女王大学的研究人员联合在International Journal of Machine Tools and Manufacture 国际杂志上发表文章 Grain refinement and columnar-to-equiaxed transition of Ti6Al4V during additive manufacturing via different laser oscillations。

传统的增材制造会产生粗柱状晶粒，影响增材制造钛合金的力学性能。为了改善Ti6Al4V的微观结构和力学性能，提出了一种新的集成增材制造技术——振荡激光熔化沉积，包括线性、圆形、8形和无限形。结果表明，激光振荡可以诱导晶粒细化和柱向等轴转变。

Graphical abstract

在激光无限振荡下，样品的β晶粒尺寸在单径区减小了54.24%，在重叠重熔区减小了42.55%。激光无限振荡后，试样在平行和垂直方向的极限拉伸强度分别提高了16.95%和32.37%，伸长率分别提高了83.60%和13.77%。(10-10)和(11-22)的各向异性也被显著消除。温度变化和热场演化表明，复合振荡改变了流体的流速取向，降低了温度梯度，促进了等轴晶的形核。此外，还揭示了不同激光振荡的强化机理。因此，振荡激光熔融沉积技术可以成为克服增材制造关键瓶颈的新途径。

图1 振荡激光熔化沉积系统

图2 不同振荡激光熔化沉积原理图及实验细节

在本研究中，研究了一种新型的集成增材制造技术——振荡激光熔化沉积，并在线性、圆形、8形和无限四种激光振荡下制备了Ti6Al4V。分析了不同激光振荡对合金显微组织演变和力学性能的影响。

图3 4种振荡不同区域的EBSD分析和重构先验β颗粒

图4 不同振荡激光熔化沉积试样的力学性能

本文主要研究结论如下：

(1)随着激光振荡的增加，柱状晶粒变得更细，并且激光振荡越复杂，晶粒细化和柱向等轴转变(CET)的作用越明显。无限振荡的β晶粒尺寸在单径区减小了54.24%，在重叠重熔区减小了42.55%。无限振荡中HAGB含量在单轨区从80.96%增加到87.29%，在重叠区从79.47%增加到89.63%。

(2)加入激光振荡后，材料的力学性能有所提高，尤其是无限振荡时。拉伸强度在平行和垂直方向分别提高了16.95%和32.37%，延伸率分别提高了83.60%和13.77%。特别是，无限的激光振荡产生了良好的抗拉强度和塑性的结合。

(3)激光振荡可以降低(10-10)和(11-22)的织构强度，消除力学性能的各向异性，特别是无限振荡。

(4)讨论了温度变化和热场演化。随着激光振荡的增加，流体的流动速度幅度减小，速度方向发生变化，特别是在8形振荡和无限振荡中。激光振荡越复杂，熔池内的流动变化越剧烈。热梯度中的搅拌作用导致晶粒细化和等轴晶粒的形成。

图5 不同t值下，基板上方0.2mm切割平面温度场的不同视图

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104031