重熔對多層多軌激光增材制造微觀結構形成的影響

來源： 高能束加工技術及應用

來自印度理工學院布巴尼斯瓦爾分校的A. Swain等人在Transactions of the Indian Institute of Metals國際期刊上發(fā)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) 或選擇性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 是一種增材制造技術,，它通過激光在金屬或合金粉末床上逐層掃描,，實現(xiàn)材料的熔化和固化，最終構建復雜的三維結構,。這一過程具有極高的設計自由度,，能夠制造傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的復雜零件，因此在航空航天,、醫(yī)療和汽車等高端制造領域有著廣泛的應用,。然而，在多層次的激光熔融過程中,，由于每層熔融時都會對前一層產(chǎn)生再熔化作用,，這使得最終形成的微觀結構受到了局部溫度梯度、冷卻速度,、物質傳輸以及熔融和再固化等因素的影響,。再熔化對于影響材料的晶粒結構、晶粒尺寸以及整體機械性能起到了重要作用,。


論文概述
本文通過數(shù)值模型研究了多層,、多道激光增材制造過程中再熔化對微觀結構形成的影響。模型模擬了Al—10% Cu合金的熔池演變,、物質傳輸,、晶粒形核和生長，重點分析了再熔化如何影響不同層厚度和道間距下的晶粒結構,。研究表明,，再熔化會增加晶體密度，尤其是在較小層厚度條件下,，晶粒的生長更加顯著,；較大的層厚度則減少了再熔化，導致較少的晶粒生長,。橫向平面的模擬展示了在不同道間距條件下晶體結構的變化,，較小的道間距會導致更多的柱狀晶體,，而較大的道間距則形成更多等軸晶體。本文模型的預測結果與實驗數(shù)據(jù)一致,，表明再熔化在層厚度和道間距的變化下對最終微觀結構有顯著影響,，并且該模型為優(yōu)化激光增材制造工藝提供了重要的參考依據(jù)。

圖 1 和圖 2 分別顯示了縱向和橫向平面的熔池形狀,、Cu 濃度和微觀結構,。圖 1a 和 2a 顯示了熔化過程中的液體餾分輪廓。從這兩個圖中可以觀察到熔池的形狀,。圖 1b 和 2b 顯示了 Cu 濃度等值線,，因此顯示了凝固區(qū)域中的偏析模式。圖 1c 和 2c 顯示了用于表示晶粒結構的晶粒數(shù)等值線,。

圖1. t = 8.4 ms 時的縱向平面仿真結果：a 熔池形狀,、b Cu 濃度等值線和 c 微觀結構。

圖2. t = 2.67 ms 時的橫向平面模擬結果：a 熔池形狀,、b Cu 濃度等值線和 c 微觀結構,。

圖3 顯示了 0.24 mm 和 0.08 mm 層厚的濃度等值線和微觀結構于較大的層厚，重熔較少,，因此每層都可以看到相似的濃度模式,。第二層顯示了與第一層相比,，較大晶粒的成核和生長,。相反，對于較小的層厚,，有相當大的重熔,。第一層中的晶粒被重新熔化，隨后在第二層的凝固過程中生長,，從而在兩層中產(chǎn)生連續(xù)的柱狀晶粒,。

圖3. 完全凝固后 （t = 12 ms） 層厚為 0.24 mm （a， b） 和 0.08 mm （c,， d） 的濃度輪廓和微觀結構,。

通過繪制不同層厚值的濃度和晶粒密度的縮放標準差 （SSD） 來比較再熔化區(qū)域中濃度和晶粒密度的變化如圖4所示。

圖4. 層厚對重熔區(qū)SSD和b晶粒密度的影響,。

本文提出的數(shù)值模型成功預測了多層,、多道激光熔化過程中的熔池演變及微觀結構的形成。再熔化對晶粒密度和微觀結構的形成起到了關鍵作用,，較小的層厚度和道間距均會顯著提高再熔化程度,，影響最終的微觀結構和材料性能。這些研究結果為優(yōu)化激光增材制造工藝提供了重要的理論支持,，未來可進一步探討更復雜的激光熔化過程,。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s12666-023-03213-8