頂刊《Acta Mater》，改變激光光斑時空分布來定制3D打印組織和性能！

來源：激光天地


導讀：來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員提出了一種通過激光光斑的時空調(diào)制來實現(xiàn)打印材料的顯微組織和性能的個性化定制。從而為3D開創(chuàng)了一個新紀元，本文為大家簡要揭示一下這一重要進展。

眾所周知，3D打印可以實現(xiàn)設計更自由、制造更簡單。相比較于傳統(tǒng)制造，可以實現(xiàn)私人訂制。但對其組織和性能的個性化定制卻鮮有人提及。來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究表明，不同形狀的光斑形貌對于凝固組織的生長和微觀組織的形成有極大影響，這有利于增材制造過程中更好的控制等軸晶的形成。相關論文以題為“Microstructuralcontrol in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy”于2月1日發(fā)表在金屬材料頂級刊物 Acta Materialia。論文部分截圖如下：

論文摘要：增材制造（俗稱3D打?。?，毫無疑問是一項具有革命顛覆性的制造技術(shù)。該技術(shù)通過控制局部區(qū)域的顯微組織，可以制造出復雜的結(jié)構(gòu)和特殊性能的制品。在增材制造過程中面臨的最大挑戰(zhàn)就是控制或者說預防柱狀晶組織的形成。但比較遺憾的是，柱狀晶的形成在增材制造過程中是易于形成的顯微組織。為此，本文闡述了控制顯微組織的控制機理以及如何通過光斑時空整形技術(shù)來控制和促進等軸晶的生成。要實現(xiàn)這一目標，需要精確的控制熱流分布。熱流分布的準確獲得要靠先進的熱預測管理技術(shù)才能實現(xiàn)。這一技術(shù)耦合了全激光光斑追蹤技術(shù)、超快熔體的流體動力學技術(shù)和晶胞形核的自發(fā)形成控制技術(shù)等技術(shù)。我們研究了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，這一研究基于粉末床激光3D打印316L來進行演示。實驗時采用單道來研究的。激光光斑采用了高斯圓形和橢圓形（橫軸和縱軸都進行了實驗）光斑。我們發(fā)現(xiàn)等軸晶的形核傾向同光斑寬度密切相關。而且，我們還揭示了在瞬態(tài)條件下（激光掃描開始和激光掃描結(jié)束時）顯微組織的演變機理。柱狀晶在激光開始發(fā)生作用時很難避免。我們認為這一發(fā)現(xiàn)對于理解局部區(qū)域激光光斑變化對顯微組織的控制以及將來如何設計復雜的光斑形狀和光束整形調(diào)制具有十分重要的意義。

△論文全文概況示意圖

增材制造（俗稱3D打?。?，是一種通過層層堆積形成三維物體的一種變革性制造技術(shù)。該技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)不能或者很難或者容易制造但成本高昂的三維實體和定制化的產(chǎn)品。粉末床式激光3D打印是最為常見的打印技術(shù)。但打印時面臨的一個最大的問題就是如何控制顯微組織以形成特定需求目標的特定組織和特殊性能。更為重要的就是理解和控制打印產(chǎn)品的顯微組織，從而獲得采用傳統(tǒng)工藝不可能獲得的特定組織和特定的服役性能。

△粉末床激光單道打印316L時晶粒的演變

△在熔化區(qū)域形核時晶粒在空間分布時的強度數(shù)

顯微組織的特定特征，主要是指晶粒尺寸、凝固形貌（平面晶、胞狀晶、枝晶、等軸晶等）以及晶體結(jié)構(gòu)（如BCC、FCC、hcp）顯著的影響著制品的機械性能，如強度和塑性等。柱狀晶和等軸晶是在增材制造鐵基、鎳基和鈦合金時最易生成的組織。柱狀晶較粗大而等軸晶較為細小。粗大的柱狀晶可以用來提高制品的抗蠕變性能或用來制造需要滿足特定性能所需要的織構(gòu)和各向異性材料。另外一方面，除了Hall-Petch關系式的作用之外，等軸晶可用來提高表面的抗疲勞能力和發(fā)生斷裂裂紋的阻力。因此，工程上所需要的特定性能可以通過控制柱狀晶和等軸晶的比例來實現(xiàn)。控制的手段就是讓激光能量在時間和空間上合理的分布來控制熱流分布，使得熱溫度梯度和凝固速率在我們預設的范圍內(nèi)。特定晶粒的生成可通過合理控制工藝參數(shù)而獲得特定的凝固參數(shù)。

△時間為23毫秒時優(yōu)先形核時空間分布的分析

眾所周知，已經(jīng)有很多研究者研究過通過改變激光掃描策略而實現(xiàn)了不同的凝固組織。除了激光掃描策略會對凝固組織產(chǎn)生影響之外，激光光斑在空間-時間上的強度調(diào)制也對形成特定的顯微組織，進而獲得特定的服役性能密切相關。本文的研究正是基于這一原理而開展的。

△激光光斑變化時激光熔池的變化

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645419307931

論文文獻信息：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