通过不同的激光振荡进行增材制造过程中 Ti6Al4V 的晶粒细化和柱状到等轴的转变！

来源： 激光制造研究

传统的增材制造会产生粗大的柱状晶粒，影响增材制造钛合金的力学性能。本研究开发了一种新型的振荡激光熔化沉积集成增材制造技术，包括线性、圆形、8字形和无限形，用于改变Ti6Al4V的微观结构和提高力学性能。结果表明，激光振荡可以诱导明显的晶粒细化和柱状晶向等轴晶的转变（CET）。无限激光振荡样品的原始β晶粒尺寸在单道区减小了54.24%，在重叠重熔区减小了42.55%。无限激光振荡样品的极限抗拉强度在平行和垂直方向分别提高了16.95%和32.37%，伸长率也分别提高了83.60%和13.77%。 (10-10)和(11-22)晶面的各向异性也得到明显消除，同时研究了温度变化和热场的演变，发现复杂振荡改变了流体的流速取向，降低了温度梯度，促进了等轴晶粒的形核，并揭示了不同激光振荡的强化机制，因此振荡激光熔化沉积技术可成为突破增材制造关键瓶颈的新途径。

本次实验采用的振荡激光熔化沉积设备由ABB机器人、GW 5M-060HC激光器、IPG PHOTONICS P30焊接振荡头、激光振荡熔断器组成，如图1所示。所有实验均在99.99%Ar气环境下进行。使用外置氧气分析仪检测打印室内的氧气含量，并在过程中将其保持在200 ppm以下，以防止氧化。

图 1. 振荡激光熔化沉积系统：（a）振荡激光熔化沉积示意图和（b）实验系统设置照片。

本次实验中 Ti6Al4V 基体尺寸为 250×250×25 mm，选取粒径为 53～150 μm 的 Ti6Al4V 粉末。实验前对基体进行喷砂处理，去除表面氧化层，并用无水乙醇清洗，保证样品的纯度。不同方法的示意图如图 2 所示。根据初步观察，依次研究了直线、圆形、8 字形、无限大 4 种振荡模式的复杂性。

图2. 不同振荡激光熔化沉积的示意图和实验细节：（a）线性；（b）圆形；（c）8字形和（d）无限。

根据前文数据，选择后续加工的基本加工参数，如激光功率（P）、扫描速率（Vs）、进给速度（Vp）、离焦量等，如表1所示。光束尺寸为2mm，为圆形光束。在选定初步基本工艺参数后，试验了不同的激光振荡方式，包括直线、圆形、8字形、无限远，并在不同的振荡频率F（150、200、250 Hz）和振荡幅度A（0.5、1、1.5、2 mm）下进行了单道正交实验。金相样品的制备主要采用预磨抛光机进行。腐蚀液为典型的Kroll溶液，HF:HNO3:H2O化学比为1:2:7，腐蚀时间约为8~10 s。金相分析采用Axio Observer A1m金相显微镜进行。使用配备场发射电子枪 (JEOL JSM 6500 F) 和 EDAX/TSL 开发系统的扫描电子显微镜进行电子背散射衍射 (EBSD)。EBSD 样品与水平方向倾斜 70◦。使用 TSL OIM Data Collection 5.4 软件和 MATLAB Mtex 软件包进行数据收集和方向校准。如图 3a 所示，从平行于和垂直于沉积方向的块体加工出拉伸试样。拉伸试样的尺寸如图 3b 所示。使用拉伸试验机 (Bairoe-5KN，中国) 进行拉伸试验，拉伸速率为 10−3/s。每种条件下拉伸试验重复 3 次以确保可靠性。使用 SEM 观察断裂表面形貌并研究断裂机制。

图3. 实验样品示意图：（a）多道试样的电子背散射衍射（EBSD）分析和拉伸试验区域；（b）力学性能试样的详细尺寸。

进行了热流体流动模拟以验证实验观察结果。将计算流体动力学 (CFD) 方法  应用于振荡激光熔化沉积配置，假设点粒子粉末 [33]。流体流动方程是根据质量、动量和能量守恒定律推导出来的。在非保守形式中，它们为

其中 ρ 为密度，u 为速度，T 为温度，cp 为等压热容量，p 为压力。Ti6Al4V 用作基材和粉末。Qu 表示糊状区域中的牛顿粘性力和达西力，由以下公式给出：

其中，K 是与晶粒尺度相关的渗透系数，fL 是液体分数。ν 是运动粘度，μ 是动态粘度。τij 表示牛顿剪切应力。G 是重力加速度。Fu,surf 表示界面表面张力，包括马兰戈尼效应和反冲压力。QT 表示热传输，包括根据傅立叶定律的热传导、粘性功、相变潜热和辐射；它表示为：

其中 λ 为热导率，Δh 为潜热。辐射包含在加热的金属表面上，由界面识别颜色函数 |∇φ| 的梯度识别，其中 σSB 为斯特藩玻尔兹曼常数，ε 为发射率。采用水平集法结合体积守恒的流体体积法来捕捉液气界面。水平集函数 F 是一个有符号距离函数，其中 F = 0 表示界面，F > 0 表示液相，F < 0 表示气相；其表达式如下：

其中 dN/dt 表示由于蒸发引起的表面回归和由于粉末沉积引起的表面增长。通过将 F 转换为 F φ（0 ≤ φ ≤ 1）的 Heaviside 函数，密度由 ρ = (1 − φ)ρG + φρL 给出，其中 ρL 和 ρG 分别是液体和气体的密度。由于每块沉积粉末的尺寸（53–150 μm）远小于轨道宽度，因此假定粉末为点粒子。粉末在与实验相同的条件下注入，粒子沉积转化为熔池激光区域的局部表面生长，同时满足质量守恒。使用拉格朗日粒子跟踪来确定粒子动力学。通过相应地移动喷嘴位置来重现喷嘴振荡。网格分辨率为 0.09 mm，足以捕捉熔池运动中的热流体流场和热梯度。通过相应地移动喷嘴位置来重现喷嘴振荡，即激光中心位置 (xc,yc) 的方程式可以表示为：

其中，(x0, y0)为初始中心位置，v为扫描速度，A为振荡幅度，ω为角速度。

图 4. 不同振荡激光熔化沉积的多道样品宏观结构形态：（a）原始；（b）线性；（c）圆形；（d）8 字形；（e）无限大。红线区域表示单通道区域，包括单道区和重叠区。

图 5. 四种振荡不同区域的 EBSD 分析和重建的先前 β 晶粒：(a1-d1) 在线性、圆形、8 字形、无限大的单道区域内的反极图 (IPF) 图；(a2-d2) 在线性、圆形、8 字形、无限大的单道区域内重建后的先前 β 晶粒；(a3-d3) 不同振荡的重叠区域内的反极图 (IPF) 图；(a4-d4) 不同振荡的单道区域内重建后的先前 β 晶粒。

图 6. 不同振荡条件下重构的先前 β 晶粒的平均晶粒尺寸。左侧区域为单轨区，右侧区域为重叠区。误差线表示与平均值的标准偏差。

图 7. 不同振动的高角度晶粒边界 (HAGB) 含量。左侧区域为单轨区，右侧区域为重叠区。

图8. 不同振荡激光熔化沉积样品的力学性能：（a）沿X方向不同激光振荡的应力-应变曲线；（b）沿X方向不同振荡的UTS，El比较。（c）沿Z方向不同激光振荡的应力-应变曲线；（d）沿Z方向不同振荡的UTS，El比较。误差线表示与平均值的标准偏差。

图 9. 不同激光振荡样品的断口形貌的扫描电子显微镜 (SEM) 图像：(a) 原始；(b) 线性；(c) 圆形；(d) 8 字形；(e) 无限大。原始样品是指未经激光振荡的合金。黄色圆圈代表韧窝断裂和韧窝。

图 10. 初始温度时间变化曲线、局部热梯度 − ∇T 方向、局部流速方向及局部流速大小。（a）模拟（t = 0.048s）剖面；（b）实验剖面；（c）单道稳定速度场；（d）点 A 处的时间变化曲线。

图 11. 在不同 t 值（t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T）时（200 Hz）基板上方 0.2 mm 剖面上温度场的不同视图：（a1-a3）t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T 时圆形振荡的顶视图；（a4-a6）t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T 时圆形振荡的平行视图，（b1-b3）t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T 时无限振荡的顶视图；（b4-b6）t = 3.0 T、3.5 T、4.0 T 时无限振荡的平行视图。颜色表示温度（K），矢量表示局部热梯度 -∇T 的方向，其幅度（K/m）由矢量颜色表示。扫描方向从左到右。

图 12. 温度从 0 到 5 T（200 Hz）的时间变化曲线，局部热梯度 − ∇T 的方向，局部流速的方向和局部流速大小（a）线性；（b）圆形；（c）8 字形和（d）无限振荡。由于喷嘴运动不同，第一次热冲击的时间并不完全相同。

图 13. 不同振荡激光熔化沉积的示意图：（a1-d1）线性、圆形、8 字形和无限相互依赖模型的关键原理；（a2-d2）线性、圆形、8 字形和无限的微观结构演变。

图 14. 用四种不同的激光振荡重构 β 相的极图：（a1-d1）线性、圆形、8 字形、无限的单轨区域；（a2-d2）线性、圆形、8 字形、无限的重叠区域。

主要结论

(1)加入激光振荡后柱状晶粒更细小,且激光振荡方式越复杂,晶粒细化和柱状晶向等轴晶转变(CET)的效果越明显。无限振荡的原β晶粒尺寸在单道区减小了54.24%,在重叠重熔区减小了42.55%。无限振荡的HAGB含量在单道区由80.96%增加到87.29%,在重叠区由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,平行和垂直方向的极限抗拉强度分别提高了16.95%和32.37%,伸长率也分别提高了83.60%和13.77%。特别地，无限激光振荡产生了良好的抗拉强度和延展性的结合。

（3）激光振荡可以降低（10-10）和（11-22）织构强度并消除力学性能的各向异性，尤其对于无限振荡。

（4）讨论了温度变化和热场演变。随着激光振荡的加入，流体流速幅度降低，速度方向发生变化，特别是在8字形和无限振荡中。激光振荡越复杂，熔池中的流动变化越剧烈。热梯度中的搅拌作用导致细小和等轴晶粒的形成。

主要信息
Grain refinement and columnar-to-equiaxed transition of Ti6Al4V during additive manufacturing via different laser oscillations

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