重熔对多层多轨激光增材制造微观结构形成的影响

来源： 高能束加工技术及应用

来自印度理工学院布巴尼斯瓦尔分校的A. Swain等人在Transactions of the Indian Institute of Metals国际期刊上发表文章Effect of Remelting on Microstructure Formation for Multi-layer and Multi-track Laser Additive Manufacturing。

激光粉末床熔融 (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 或选择性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 是一种增材制造技术，它通过激光在金属或合金粉末床上逐层扫描，实现材料的熔化和固化，最终构建复杂的三维结构。这一过程具有极高的设计自由度，能够制造传统加工方法难以实现的复杂零件，因此在航空航天、医疗和汽车等高端制造领域有着广泛的应用。然而，在多层次的激光熔融过程中，由于每层熔融时都会对前一层产生再熔化作用，这使得最终形成的微观结构受到了局部温度梯度、冷却速度、物质传输以及熔融和再固化等因素的影响。再熔化对于影响材料的晶粒结构、晶粒尺寸以及整体机械性能起到了重要作用。


论文概述
本文通过数值模型研究了多层、多道激光增材制造过程中再熔化对微观结构形成的影响。模型模拟了Al—10% Cu合金的熔池演变、物质传输、晶粒形核和生长，重点分析了再熔化如何影响不同层厚度和道间距下的晶粒结构。研究表明，再熔化会增加晶体密度，尤其是在较小层厚度条件下，晶粒的生长更加显著；较大的层厚度则减少了再熔化，导致较少的晶粒生长。横向平面的模拟展示了在不同道间距条件下晶体结构的变化，较小的道间距会导致更多的柱状晶体，而较大的道间距则形成更多等轴晶体。本文模型的预测结果与实验数据一致，表明再熔化在层厚度和道间距的变化下对最终微观结构有显著影响，并且该模型为优化激光增材制造工艺提供了重要的参考依据。

图 1 和图 2 分别显示了纵向和横向平面的熔池形状、Cu 浓度和微观结构。图 1a 和 2a 显示了熔化过程中的液体馏分轮廓。从这两个图中可以观察到熔池的形状。图 1b 和 2b 显示了 Cu 浓度等值线，因此显示了凝固区域中的偏析模式。图 1c 和 2c 显示了用于表示晶粒结构的晶粒数等值线。

图1. t = 8.4 ms 时的纵向平面仿真结果：a 熔池形状、b Cu 浓度等值线和 c 微观结构。

图2. t = 2.67 ms 时的横向平面模拟结果：a 熔池形状、b Cu 浓度等值线和 c 微观结构。

图3 显示了 0.24 mm 和 0.08 mm 层厚的浓度等值线和微观结构于较大的层厚，重熔较少，因此每层都可以看到相似的浓度模式。第二层显示了与第一层相比，较大晶粒的成核和生长。相反，对于较小的层厚，有相当大的重熔。第一层中的晶粒被重新熔化，随后在第二层的凝固过程中生长，从而在两层中产生连续的柱状晶粒。

图3. 完全凝固后 （t = 12 ms） 层厚为 0.24 mm （a， b） 和 0.08 mm （c， d） 的浓度轮廓和微观结构。

通过绘制不同层厚值的浓度和晶粒密度的缩放标准差 （SSD） 来比较再熔化区域中浓度和晶粒密度的变化如图4所示。

图4. 层厚对重熔区SSD和b晶粒密度的影响。

本文提出的数值模型成功预测了多层、多道激光熔化过程中的熔池演变及微观结构的形成。再熔化对晶粒密度和微观结构的形成起到了关键作用，较小的层厚度和道间距均会显著提高再熔化程度，影响最终的微观结构和材料性能。这些研究结果为优化激光增材制造工艺提供了重要的理论支持，未来可进一步探讨更复杂的激光熔化过程。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12666-023-03213-8