通過不同的激光振蕩進(jìn)行增材制造過程中 Ti6Al4V 的晶粒細(xì)化和柱狀到等軸的轉(zhuǎn)變,！

來源： 激光制造研究

傳統(tǒng)的增材制造會(huì)產(chǎn)生粗大的柱狀晶粒,，影響增材制造鈦合金的力學(xué)性能,。本研究開發(fā)了一種新型的振蕩激光熔化沉積集成增材制造技術(shù)，包括線性,、圓形,、8字形和無限形，用于改變Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)性能,。結(jié)果表明,，激光振蕩可以誘導(dǎo)明顯的晶粒細(xì)化和柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變（CET）。無限激光振蕩樣品的原始β晶粒尺寸在單道區(qū)減小了54.24%,，在重疊重熔區(qū)減小了42.55%,。無限激光振蕩樣品的極限抗拉強(qiáng)度在平行和垂直方向分別提高了16.95%和32.37%，伸長率也分別提高了83.60%和13.77%,。 (10-10)和(11-22)晶面的各向異性也得到明顯消除,，同時(shí)研究了溫度變化和熱場的演變，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜振蕩改變了流體的流速取向，降低了溫度梯度,，促進(jìn)了等軸晶粒的形核,，并揭示了不同激光振蕩的強(qiáng)化機(jī)制，因此振蕩激光熔化沉積技術(shù)可成為突破增材制造關(guān)鍵瓶頸的新途徑,。

本次實(shí)驗(yàn)采用的振蕩激光熔化沉積設(shè)備由ABB機(jī)器人,、GW 5M-060HC激光器、IPG PHOTONICS P30焊接振蕩頭,、激光振蕩熔斷器組成,，如圖1所示。所有實(shí)驗(yàn)均在99.99%Ar氣環(huán)境下進(jìn)行,。使用外置氧氣分析儀檢測打印室內(nèi)的氧氣含量,，并在過程中將其保持在200 ppm以下，以防止氧化,。

圖 1. 振蕩激光熔化沉積系統(tǒng)：（a）振蕩激光熔化沉積示意圖和（b）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置照片,。

本次實(shí)驗(yàn)中 Ti6Al4V 基體尺寸為 250×250×25 mm，選取粒徑為 53～150 μm 的 Ti6Al4V 粉末,。實(shí)驗(yàn)前對基體進(jìn)行噴砂處理,，去除表面氧化層，并用無水乙醇清洗,，保證樣品的純度,。不同方法的示意圖如圖 2 所示。根據(jù)初步觀察,，依次研究了直線,、圓形、8 字形,、無限大 4 種振蕩模式的復(fù)雜性,。

圖2. 不同振蕩激光熔化沉積的示意圖和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)：（a）線性；（b）圓形,；（c）8字形和（d）無限,。

根據(jù)前文數(shù)據(jù)，選擇后續(xù)加工的基本加工參數(shù),，如激光功率（P）,、掃描速率（Vs）、進(jìn)給速度（Vp）,、離焦量等,，如表1所示。光束尺寸為2mm,，為圓形光束,。在選定初步基本工藝參數(shù)后,，試驗(yàn)了不同的激光振蕩方式，包括直線,、圓形,、8字形、無限遠(yuǎn),，并在不同的振蕩頻率F（150,、200、250 Hz）和振蕩幅度A（0.5,、1,、1.5、2 mm）下進(jìn)行了單道正交實(shí)驗(yàn),。金相樣品的制備主要采用預(yù)磨拋光機(jī)進(jìn)行,。腐蝕液為典型的Kroll溶液，HF:HNO3:H2O化學(xué)比為1:2:7,，腐蝕時(shí)間約為8~10 s,。金相分析采用Axio Observer A1m金相顯微鏡進(jìn)行。使用配備場發(fā)射電子槍 (JEOL JSM 6500 F) 和 EDAX/TSL 開發(fā)系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡進(jìn)行電子背散射衍射 (EBSD),。EBSD 樣品與水平方向傾斜 70◦,。使用 TSL OIM Data Collection 5.4 軟件和 MATLAB Mtex 軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和方向校準(zhǔn)。如圖 3a 所示,，從平行于和垂直于沉積方向的塊體加工出拉伸試樣,。拉伸試樣的尺寸如圖 3b 所示。使用拉伸試驗(yàn)機(jī) (Bairoe-5KN,，中國) 進(jìn)行拉伸試驗(yàn),，拉伸速率為 10−3/s。每種條件下拉伸試驗(yàn)重復(fù) 3 次以確�,？煽啃浴Ｊ褂� SEM 觀察斷裂表面形貌并研究斷裂機(jī)制,。

圖3. 實(shí)驗(yàn)樣品示意圖：（a）多道試樣的電子背散射衍射（EBSD）分析和拉伸試驗(yàn)區(qū)域,；（b）力學(xué)性能試樣的詳細(xì)尺寸。

進(jìn)行了熱流體流動(dòng)模擬以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果,。將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 方法  應(yīng)用于振蕩激光熔化沉積配置,，假設(shè)點(diǎn)粒子粉末 [33]。流體流動(dòng)方程是根據(jù)質(zhì)量,、動(dòng)量和能量守恒定律推導(dǎo)出來的,。在非保守形式中，它們?yōu)?br />

其中 ρ 為密度,，u 為速度,，T 為溫度，cp 為等壓熱容量，p 為壓力,。Ti6Al4V 用作基材和粉末,。Qu 表示糊狀區(qū)域中的牛頓粘性力和達(dá)西力，由以下公式給出：

其中,，K 是與晶粒尺度相關(guān)的滲透系數(shù),，fL 是液體分?jǐn)?shù)。ν 是運(yùn)動(dòng)粘度,，μ 是動(dòng)態(tài)粘度,。τij 表示牛頓剪切應(yīng)力。G 是重力加速度,。Fu,surf 表示界面表面張力,，包括馬蘭戈尼效應(yīng)和反沖壓力。QT 表示熱傳輸,，包括根據(jù)傅立葉定律的熱傳導(dǎo),、粘性功、相變潛熱和輻射,；它表示為：

其中 λ 為熱導(dǎo)率,，Δh 為潛熱。輻射包含在加熱的金屬表面上,，由界面識(shí)別顏色函數(shù) |∇φ| 的梯度識(shí)別,，其中 σSB 為斯特藩玻爾茲曼常數(shù)，ε 為發(fā)射率,。采用水平集法結(jié)合體積守恒的流體體積法來捕捉液氣界面,。水平集函數(shù) F 是一個(gè)有符號(hào)距離函數(shù)，其中 F = 0 表示界面,，F(xiàn) > 0 表示液相,，F(xiàn) < 0 表示氣相；其表達(dá)式如下：

其中 dN/dt 表示由于蒸發(fā)引起的表面回歸和由于粉末沉積引起的表面增長,。通過將 F 轉(zhuǎn)換為 F φ（0 ≤ φ ≤ 1）的 Heaviside 函數(shù),，密度由 ρ = (1 − φ)ρG + φρL 給出，其中 ρL 和 ρG 分別是液體和氣體的密度,。由于每塊沉積粉末的尺寸（53–150 μm）遠(yuǎn)小于軌道寬度,，因此假定粉末為點(diǎn)粒子。粉末在與實(shí)驗(yàn)相同的條件下注入,，粒子沉積轉(zhuǎn)化為熔池激光區(qū)域的局部表面生長,，同時(shí)滿足質(zhì)量守恒。使用拉格朗日粒子跟蹤來確定粒子動(dòng)力學(xué),。通過相應(yīng)地移動(dòng)噴嘴位置來重現(xiàn)噴嘴振蕩,。網(wǎng)格分辨率為 0.09 mm,，足以捕捉熔池運(yùn)動(dòng)中的熱流體流場和熱梯度。通過相應(yīng)地移動(dòng)噴嘴位置來重現(xiàn)噴嘴振蕩,，即激光中心位置 (xc,yc) 的方程式可以表示為：

其中,，(x0, y0)為初始中心位置，v為掃描速度,，A為振蕩幅度,，ω為角速度。

圖 4. 不同振蕩激光熔化沉積的多道樣品宏觀結(jié)構(gòu)形態(tài)：（a）原始,；（b）線性,；（c）圓形；（d）8 字形,；（e）無限大,。紅線區(qū)域表示單通道區(qū)域，包括單道區(qū)和重疊區(qū),。

圖 5. 四種振蕩不同區(qū)域的 EBSD 分析和重建的先前 β 晶粒：(a1-d1) 在線性,、圓形、8 字形,、無限大的單道區(qū)域內(nèi)的反極圖 (IPF) 圖,；(a2-d2) 在線性、圓形,、8 字形,、無限大的單道區(qū)域內(nèi)重建后的先前 β 晶粒；(a3-d3) 不同振蕩的重疊區(qū)域內(nèi)的反極圖 (IPF) 圖,；(a4-d4) 不同振蕩的單道區(qū)域內(nèi)重建后的先前 β 晶粒,。

圖 6. 不同振蕩條件下重構(gòu)的先前 β 晶粒的平均晶粒尺寸。左側(cè)區(qū)域?yàn)閱诬墔^(qū),，右側(cè)區(qū)域?yàn)橹丿B區(qū),。誤差線表示與平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖 7. 不同振動(dòng)的高角度晶粒邊界 (HAGB) 含量,。左側(cè)區(qū)域?yàn)閱诬墔^(qū),，右側(cè)區(qū)域?yàn)橹丿B區(qū)。

圖8. 不同振蕩激光熔化沉積樣品的力學(xué)性能：（a）沿X方向不同激光振蕩的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,；（b）沿X方向不同振蕩的UTS，El比較,。（c）沿Z方向不同激光振蕩的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,；（d）沿Z方向不同振蕩的UTS，El比較,。誤差線表示與平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,。

圖 9. 不同激光振蕩樣品的斷口形貌的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像：(a) 原始,；(b) 線性；(c) 圓形,；(d) 8 字形,；(e) 無限大。原始樣品是指未經(jīng)激光振蕩的合金,。黃色圓圈代表韌窩斷裂和韌窩,。

圖 10. 初始溫度時(shí)間變化曲線、局部熱梯度 − ∇T 方向,、局部流速方向及局部流速大小,。（a）模擬（t = 0.048s）剖面；（b）實(shí)驗(yàn)剖面,；（c）單道穩(wěn)定速度場,；（d）點(diǎn) A 處的時(shí)間變化曲線。

圖 11. 在不同 t 值（t = 3.0 T,、3.5 T,、4.0 T）時(shí)（200 Hz）基板上方 0.2 mm 剖面上溫度場的不同視圖：（a1-a3）t = 3.0 T、3.5 T,、4.0 T 時(shí)圓形振蕩的頂視圖,；（a4-a6）t = 3.0 T、3.5 T,、4.0 T 時(shí)圓形振蕩的平行視圖,，（b1-b3）t = 3.0 T、3.5 T,、4.0 T 時(shí)無限振蕩的頂視圖,；（b4-b6）t = 3.0 T、3.5 T,、4.0 T 時(shí)無限振蕩的平行視圖,。顏色表示溫度（K），矢量表示局部熱梯度 -∇T 的方向,，其幅度（K/m）由矢量顏色表示,。掃描方向從左到右。

圖 12. 溫度從 0 到 5 T（200 Hz）的時(shí)間變化曲線,，局部熱梯度 − ∇T 的方向,，局部流速的方向和局部流速大小（a）線性,；（b）圓形,；（c）8 字形和（d）無限振蕩。由于噴嘴運(yùn)動(dòng)不同,，第一次熱沖擊的時(shí)間并不完全相同,。

圖 13. 不同振蕩激光熔化沉積的示意圖：（a1-d1）線性,、圓形、8 字形和無限相互依賴模型的關(guān)鍵原理,；（a2-d2）線性,、圓形、8 字形和無限的微觀結(jié)構(gòu)演變,。

圖 14. 用四種不同的激光振蕩重構(gòu) β 相的極圖：（a1-d1）線性,、圓形、8 字形,、無限的單軌區(qū)域,；（a2-d2）線性、圓形,、8 字形,、無限的重疊區(qū)域。

主要結(jié)論

(1)加入激光振蕩后柱狀晶粒更細(xì)小,且激光振蕩方式越復(fù)雜,晶粒細(xì)化和柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)的效果越明顯,。無限振蕩的原β晶粒尺寸在單道區(qū)減小了54.24%,在重疊重熔區(qū)減小了42.55%,。無限振蕩的HAGB含量在單道區(qū)由80.96%增加到87.29%,在重疊區(qū)由79.47%增加到89.63%。

(2)加入激光振蕩后,材料的力學(xué)性能有所提高,尤其是無限振蕩,平行和垂直方向的極限抗拉強(qiáng)度分別提高了16.95%和32.37%,伸長率也分別提高了83.60%和13.77%,。特別地,，無限激光振蕩產(chǎn)生了良好的抗拉強(qiáng)度和延展性的結(jié)合。

（3）激光振蕩可以降低（10-10）和（11-22）織構(gòu)強(qiáng)度并消除力學(xué)性能的各向異性,，尤其對于無限振蕩,。

（4）討論了溫度變化和熱場演變。隨著激光振蕩的加入,，流體流速幅度降低,，速度方向發(fā)生變化，特別是在8字形和無限振蕩中,。激光振蕩越復(fù)雜,，熔池中的流動(dòng)變化越劇烈。熱梯度中的攪拌作用導(dǎo)致細(xì)小和等軸晶粒的形成,。

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