顶刊《Acta Mater》：光束整形策略对LPBF增材制造合金显微组织的影响

来源：江苏激光联盟

导读：本文为大家介绍材料类顶刊《Acta Materialia》中所介绍的在三种不同的激光光束形状下进行单道激光增材制造316L不锈钢时的显微组织的演变规律。

图0 成果的Graphical abstract

增材制造技术（AM）是一种革命性的技术，在制造复杂形状的且可以通过显微组织的调控来实现机械性能的定制上具有独特的优势。AM制造面临的最大的一个挑战就是如何控制防止产生柱状晶（长度方向）的生长，这一晶粒形貌在AM制造金属部件的时候比较常见。在本文中，我们为大家诠释了一种显微组织的调控机理，用来控制形成等轴晶（纵横比接近1），采用的是激光光束整形策略。这一策略需要精确的热轮廓，这一轮廓只能使用先进的预测模拟技术，耦合全激光光束扫描轨迹、超快熔池的流体动力学和用于晶粒生长的细胞自动机来实现的。我们使用高斯圆形光束和椭圆形光束（横向和纵向）的激光光束模式来进行粉末床激光增材制造316L不锈钢来研究等轴晶的过渡。我们给大家展示了产生等轴晶通过孕育事件同椭圆形激光束作用下的大的光束相关的倾向。此外，我们还揭示了在诸如激光束开关的条件下这种瞬时状态显微组织形成的不同机制。柱状晶是很难在扫描开始的时候进行阻止，其生长的形貌在没有热的时候，显示在熔池宽度和深度条件下是热过冷的时候。我们期待这一局部光束整形用于显微组织调控的物理机制的理解将会对将来复杂的光速形状的设计以及光束调制产生影响。

背景介绍
增材制造（AM）是异种革命性的制造技术。其中粉末床激光增材制造（LPBF或SLM）是制造金属的一种比较流行的技术。AM-LPBF技术所面临的一个比较大的挑战是如何调控显微组织以实现对制造部件机械性能的定制。更为重要的是，理解和控制打印部件的显微组织将最终使得我们可以定制显微组织以实现通过传统工艺不能实现的性能。

图 1 集成的模拟框架图来研究激光光束能量的轮廓（即光束形状）对在进行单道沉积316L不锈钢粉末的时候的凝固组织影响的示意图。其中ALE3D是 Arbitrary Lagrangian–Eulerian three-dimensional首字母的缩写; CA为Cellular Automaton首字母的缩写。

主要的显微组织特征，如晶粒尺寸、凝固形貌（如平面晶、胞晶和枝晶等）以及增材制造金属部件时晶粒的织构，显著地影响着诸如强度、韧性等机械性能。柱状晶和等轴晶是Fe基、Ni基和Ti基等合金中的凝固区域中较为常见的两种凝固组织。柱状晶较为粗大而等轴晶则较为细小。巨大的柱状晶可以用来提高蠕变抗力或用来制造强织构和用于特定用途的各向异性的部件的制造。另外一方面，除了Hall-Petch强化之外，细小的等轴晶可以提高近表面的疲劳寿命和晶间裂纹扩展的阻力。因此，采用AM技术进行工程目的的特定性能的制备，可以通过控制柱状晶和等轴晶的相对体积分数和在制备过程中的空间分布来实现。

图2  在基材为316L不锈钢的时候实验测量得到的晶粒结构。

柱状晶和等轴晶之间的过渡可以通过热温度梯度和凝固生长速率的空间-时间变化来体现。晶粒结构的定制可以通过选择适宜的加工参数来实现对凝固参数的控制来实现。例如，Dehoff等人展示了定制凝固模式的能力以及对织构的控制，是通过电子束AM制造Ni基合金In718的扫描策略来实现的。在他们的研究中，通过在脉冲和连续电子束之间的扫描策略的快速切换和控制电子束的运动来实现的，通过这一方法，作者可以有效地在沉积层实现织构，是通过控制织构的位置来实现的。

图3   使用DREAM.3D在基材上生成的统计得到的等效晶粒结构

除了上面提到的扫描测量可以实现对组织的控制之外，激光光束能量在空间和时间上的调制将会提供用于定制晶粒结构的手段。激光光束强度轮廓（即光束形状）可以通过镜片进行非常容易的调制，如变形棱镜对（anamorphic prism pairs）和双光束多路复用器来进行显微组织的控制。Roehling等人展示了圆形高斯（ＣＧ）光束和椭圆形的激光强度分布在激光功率、扫描速度和光斑尺寸变化时对单道增材制造316L（SLM工艺）的影响。椭圆形的激光束平行于主轴扫描（长度方向，用LE表示）和垂直于扫描方向（横向，用TE来表示）。结果发现，椭圆形的激光束对凝固组织产生非常重要的影响，由此晶粒形貌可以通过局部的光束形状（即变化光束强度的轮廓）而维持激光功率和扫描速度不变来实现。更为重要的时，TE模式的光束具有产生等轴晶或等轴晶－柱状晶混合的能力，且可以同CG光束模式相比具有更大的加工参数空间。

图4　在 L-PBF单道增材制造316L时，晶粒结构的变化。


图5 在不同激光光束条件下，在t=243μs的时候，得到的熔池形状的比较 。

本文的目的就是为大家诠释主要凝固显微组织特征控制相关的物理机制，如形貌（等轴晶Vs柱状晶）、尺寸和晶粒织构，通过光束的形状来改变。由于L-PBF工艺具有高度瞬时和局部加工的特点且具有多个复杂的物理效应（即熔池中剧烈的熔体流动、蒸发、快速凝固、热循环等），以上因素综合在一起对优化带来挑战，准确的捕获凝固显微组织的动态变化和仅仅通过试错法将获得的显微组织同工艺参数关联在一起。本文的办法是利用高可信度的粉末尺度的模型耦合到细胞自动机中进行孕育和晶粒生长的分析。该模式应用激光光束的路径来描述激光－材料的相互作用和精确的模拟任何光束形状的热形状的模拟（见图１ａ－ｂ）。本框架预测的质量取决于原位吸收的测量的有效性和不同材料实验时熔池深度的比较。

图6 激光光束变化时在水平(a-c)和横向 (d-f) 的条件下得到的横截面的凝固晶粒组织。

结果

模拟结果显示柱状晶的外沿生长的竞争和孕育和在熔化区中等轴晶的生长同熔池形状和激光扫描时的动态演变相关，从而可以通过激光束的改变进行控制。晶粒的平均尺寸和强度受熔池的影响，当激光强度轮廓随着从长度方向的椭圆形（LE）、圆形高斯（CG）和横向椭圆形（TE）降低，孕育随着熔池宽度和深度增加，激光开关时也是如此。尤其是，这一熔池形状的影响预计同激光功率和扫描速度相关。

图7 在长度中心方向的横截面的凝固的晶粒组织和相应的晶粒形貌的织构（利用IPF俩表示，此处制造方向（BD）投射到每一晶粒的晶粒参考方向上）为在不同的光束形状的前提下进行制备。MRD表示随机密度的倍数（multiples of a random density）。

首先使用EBSD技术对基材晶粒结构进行表征，包括晶粒尺寸及其分布以及晶体织构进行了表征，结果见图2所示。显微结构的统计结果作为DREAM.3D的输入参数来生成基材上统计的等效的协调晶粒组织。如图3所示，显微结构的统计结构进行了复制。

图8 单道激光扫描进行增材制造316L不锈钢的时候，晶粒组织的演变，包括柱状晶通过等轴晶的部分熔化（轻蓝色）生长以及孕育的晶粒（彩色的IPF）。激光束的强度轮廓：TE表示横向的椭圆形（ (transverse elliptical)），TE (transverse elliptical)

在单道L-PBF制备316L的时候，晶粒结构的演变通过三维的2D横截面来展示，包括X-Y切面的平面（原始基材表面之下8µm），沿着长度方向的X-Z界面和横向的截面（在垂直点线图4（a）中的X=350µm）处。非常明显，在单道L-PBF工艺过程中，高度局部凝固过程中受到移动的熔池的瞬时特征的限制。研究发现，熔池的形貌特征同激光束的形状非常敏感，这可以用图5中不同激光束下的熔池的视觉效果来表征。不同激光束作用下的横截面镜面的熔化边界显示出来。

图9 随着激光束形状的变化而得到的晶粒结构。

尽管我们所展示的结果是激光增材制造316L时在单道激光、非均匀的、熔化区域的各向异性的结果，三种不同的激光束形状下均如此，并将在全制造时也是如此。看起来每一2D横截面的凝固晶粒组织结构是由混合的柱状晶和等轴晶所组成。其数量密度、尺寸、空间分布以及柱状晶和等轴晶的相对体积分数等，然而，随着激光束形状的改变，其变化非常明显。

图10 通过在熔化区域孕育形成的晶粒的空间分布和数值密度。其中X表示扫描方向，Y表示横向的方向，Z表示增材制备的方向。透明的灰色平面显示的石在激光扫描之前基材的表面。

图11温度梯度G的瞬时变化和液-固界面速度R在三种不同的激光束形状作用下的结果。局部的G和R的计算石在给定的时间下进行模拟的网格点石从液体和固体之间的蘑菇区选取的。

图12 择优的孕育点（从底部观察时相对红色的熔池）在不同的光束形状下得到的空间分布情况，t=323微秒。



图13 激光光束形状变化时熔池形状的变化。

结论：

激光光束形状对熔池形状时间上的演变以及在激光增材制造单道沉积316L不锈钢的时候得到的凝固晶粒的三维结构（尺寸、形貌、晶粒织构）使用耦合的ALE3D-CA进行了系统的研究，得到的主要结论如下：

(1)同圆形的高斯光束（CG (circular Gaussian)）相比较，横向椭圆（TE (transverse elliptical) ）光束作用下会沿着扫描方向、横向和制造方向分别产生比较短、宽、窄的尺寸。在长度方向（TE (transverse elliptical) ） 所得到的结果刚好相反。

(2)在单道激光作用下熔池的连续移动促进柱状晶通过外延的部分熔化的处于基材的先生晶粒来生长。柱状晶通过晶粒激活（部分熔化）的数量来表征，通过熔池和他们的生长方向来激活，这主要受熔池尺寸和形状所控制。柱状晶的生长方向遵从自熔池到基材的最大热流方向，并且由此动态的变化，同凝固过程中熔池后部边缘的局部位置相关。

(3)LE激光光束形状会造成柱状晶的最为强烈的织构，紧随其后的为CG和TE模式。　

(4)当激光开启的时候，我们发现孕育的倾向同光束形状密切相关。孕育的数量随着熔池的宽度的增加而增加。TE轮廓产生几乎相似的结果。CG和LE的轮廓也产生几乎相似的结果。这一发现同现存的观察结果一致，即，TE轮廓的激光束产生等轴晶或混合等轴晶与柱状晶，在较大的参数范围内均如此。

(5)孕育机理通过熔池的形状特征来进行显示：TE具有最为宽广的过冷区间（小的热温度梯度G和大的液体-固体界面速度，由此得到小的G/R）和同CG与LE形状的光束相比，得到高的孕育倾向。

(6)当激光束关闭的时候，我们发现孕育倾向和熔池深度之间的强相关：孕育倾向随着熔池的深度而增加。结果，TE形状的激光束会产生较少的孕育事件。

(7)最后的两个发现是熔池的形状到显微组织的控制之间的关系会产生激光功率和扫描速度之间的关联性。

(8)相对位置和G与R在参考的凝固图中的瞬时迁移同CA的结果相关，即使是通过快速凝固和非稳态的时候也是如此。　

(9)在实践的时候必须小心的是，当解释２D横截面（即使是使用EBSD的手段对晶粒的方位进行表征）的等轴晶粒形成的时候，由于我们发现等轴晶像是在孕育不存在的时候发生的，当晶粒在平面外生长。物理手段为基础的显微组织模型可以规避在实验手段表征3D显微组织时所面对的问题。

图14 不同的光束整形结果的案例。

这一策略和研究结果将有利于在L-PBF增材制造的时候实现指定区域的显微组织的定制，这一定制通过激光光束的强度和时间的轮廓变化的调制来实现的。研究结果也表明对相对简单的椭圆形光束来说可以帮助进行模拟更加复杂的光束形状，从而可以通过晶粒结构工程来优化材料和机械性能。当我们聚焦在连续激光进行增材制造的时候，激光开关光这种瞬时状态的分析可以用于脉冲激光的分析和理解在类似空间挥毫扫描模式下的显微组织的行为。


文章来源：
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网站

参考资料：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