《Acta Materialia》：3D打印鋼鐵部件時(shí)時(shí)間-空間的硬度變化

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)的研究學(xué)者采用熱循環(huán)計(jì)算和Johnson-Mehl-Avrami 動(dòng)力學(xué)的關(guān)系的關(guān)系可以預(yù)測(cè)在不同的工藝參數(shù)組合下激光直接沉積H13工具鋼部件不同位置的硬度,其預(yù)測(cè)結(jié)果童實(shí)際測(cè)量結(jié)果相吻合,同時(shí)還成果有望推廣應(yīng)用到其他商業(yè)合金上。

成果簡(jiǎn)介
幾個(gè)關(guān)鍵的工業(yè)路徑來(lái)制造復(fù)雜形狀的部件，最為有優(yōu)勢(shì)的是金屬打印技術(shù)，但該技術(shù)持續(xù)增長(zhǎng)的應(yīng)用需要對(duì)部件的顯微組織和性能進(jìn)行很好的控制。許多工業(yè)參數(shù)都會(huì)隨著熱循環(huán)的變化造成的空間熱分布的變化而影響著部件的顯微組織和性能。在這里，我們?yōu)榇蠹艺故玖斯ぞ咪摬考�在不同部位的硬度的演化，采用�?jì)算熱循環(huán)的辦法和Johnson-Mehl-Avrami 動(dòng)力學(xué)的關(guān)系來(lái)評(píng)估。計(jì)算得到的硬度同不同工藝參數(shù)條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的硬度是相吻合的。在特定的位置，硬度隨著熱循環(huán)的增加而持續(xù)下降。部件底部的層在沉積上部層的時(shí)候經(jīng)受著持續(xù)的熱循環(huán)，其硬度隨著距離頂部的高度較遠(yuǎn)而硬度降低。激光功率高和掃描速度慢時(shí)造成的高的熱輸入會(huì)導(dǎo)致冷卻速率低，溫度高，這更加有利于馬氏體的時(shí)效，從而的造成較低的硬度。由于提出的模型可以預(yù)測(cè)工藝參數(shù)變化時(shí)空間硬度的變化，該項(xiàng)工作可以作為一些增材制造部件時(shí)的定制硬度的工作基礎(chǔ)。

圖1. 成果的Graphical abstract

研究背景
在能量直接沉積過(guò)程中，獨(dú)特的三維金屬部件可以非常常規(guī)的通過(guò)激光或電子束依據(jù)電子數(shù)據(jù)文件熔化輸送的粉末進(jìn)行凝固，層層堆積而形成預(yù)設(shè)的部件，直接能量沉積增材制造技術(shù)廣泛的應(yīng)用在航空航天，醫(yī)療和其他工業(yè)中。該技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)在于需要控制金屬部件的顯微組織和性能。盡管金屬部件的工藝參數(shù)-顯微組織-性能之間的關(guān)系被廣泛的進(jìn)行研究，仍然沒(méi)有直接的辦法來(lái)很好的理解AM（增材制造）制造部件的顯微組織和性能的演化并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制。大量的參數(shù)變化，高度的瞬時(shí)溫度場(chǎng)，空間變化的熱循環(huán)以及熔池中的液相合金的運(yùn)動(dòng)均會(huì)影響凝固的模式和顯微組織以及性能的演化。此外，當(dāng)金屬層沉積的時(shí)候，前一已經(jīng)沉積層會(huì)被加熱和冷卻，這樣前一沉積層的顯微組織和性能就會(huì)發(fā)生變化。理解工藝參數(shù)變化，如激光功率和掃描速度的變化對(duì)部件顯微組織和性能的演化至關(guān)重要，這是因?yàn)樗�影響著制造部件的性能�?br />
顯微組織的演化在熔化焊中使用功能強(qiáng)大的X射線同步輻射技術(shù)來(lái)研究了其相變的演化。這些研究結(jié)果提供了實(shí)驗(yàn)條件下的晶體結(jié)構(gòu)的變化，但并不能直接提供機(jī)械性能演化的直接數(shù)據(jù)。曾經(jīng)有人嘗試測(cè)量激光DED過(guò)程中諸如空間硬度和空間機(jī)械性能的變化。沿著打印部件高度方向變化的硬度的顯著變化是由于打印部件的顯微組織的巨大變化造成的。然而，這些研究結(jié)果并不能揭示沉積過(guò)程中的硬度的變化。幾個(gè)動(dòng)力學(xué)模型被用來(lái)預(yù)測(cè)馬氏體形成的動(dòng)力學(xué)和時(shí)效馬氏體的相變。例如，在應(yīng)用熔化焊雙相不銹鋼的時(shí)候，硬度的變化采用Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎(chǔ)的模型來(lái)預(yù)測(cè)碳化物的孕育和生長(zhǎng)機(jī)理。馬氏體時(shí)效動(dòng)力學(xué)模型被用來(lái)預(yù)測(cè)在多道焊接鐵素體-馬氏體鋼時(shí)的硬度的變化。在增材制造過(guò)程中，基于Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)模型和顆粒粗化模型被用來(lái)解釋硬度的時(shí)間演化。這些基于熱循環(huán)的辦法監(jiān)控是在AM制造過(guò)程中進(jìn)行實(shí)施。然而，實(shí)驗(yàn)確定的熱循環(huán)在一個(gè)部件的所有位置進(jìn)行時(shí)是不可能的。此外，快速移動(dòng)的微小的熱源來(lái)打印部件使得溫度的測(cè)量成為一個(gè)非常困難的任務(wù)。一個(gè)很好的辦法是在復(fù)雜的熱循環(huán)的過(guò)程中進(jìn)行模擬來(lái)依據(jù)消耗的能量，動(dòng)量，質(zhì)量以及顯微組織和性能的變化來(lái)依據(jù)計(jì)算得到的熱循環(huán)來(lái)確定。這些計(jì)算需要離散化這些等式和解決上千萬(wàn)的等式的計(jì)算且計(jì)算工作量很大。急需適宜的動(dòng)力學(xué)等式來(lái)計(jì)算顯微組的演化和機(jī)械性能的變化。

在這里，我們組合一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的3D瞬時(shí)傳熱和流體流動(dòng)模型和一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)采用激光多層直接能量沉積進(jìn)行制造的H13工具鋼的顯微硬度。傳熱和流體流動(dòng)模型被用來(lái)精確的計(jì)算在部件的不同位置和不同工藝參數(shù)下的熱循環(huán)。不斷重復(fù)的加熱和冷卻在多層沉積時(shí)在部件不同位置隨時(shí)間的影響進(jìn)行了研究。H13工具鋼的恒溫時(shí)效被用來(lái)計(jì)算相變動(dòng)力學(xué)平衡的參數(shù)。傳熱流體流動(dòng)模型，相變動(dòng)力學(xué)和恒溫時(shí)效數(shù)據(jù)的合成提供了計(jì)算工藝參數(shù)變化對(duì)顯微組織和性能隨工藝參數(shù)變化的框架估計(jì)，這是目前其他手段所不能實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算得到的硬度值使用獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同的工藝參數(shù)下經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。這一模型同時(shí)用來(lái)檢查了激光功率和掃描速度對(duì)硬度變化的影響。

研究所采取的策略
圖2 本次研究所采取的策略的示意圖。DED-L部件的硬度通過(guò)如下三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，首先，一個(gè)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試的，DED-L的3D傳熱和流體流動(dòng)模型用來(lái)計(jì)算在特定位置的精確的熱循環(huán)。其次， Johnson-Mehl-Avrami (JMA) 等式給出總的馬氏體轉(zhuǎn)換隨著等溫相變時(shí)間的分?jǐn)?shù)。結(jié)果顯示文獻(xiàn)中給出的硬度變化同相變分?jǐn)?shù)成正比。因此，在這里，樣品的硬度測(cè)量可以用來(lái)將相變（時(shí)效）動(dòng)力學(xué)同溫度和時(shí)間相關(guān)聯(lián)，并且JMA參數(shù)可以從時(shí)間-溫度-時(shí)效數(shù)據(jù)中確定�；�于H13工具鋼在不同溫度下的等溫時(shí)效數(shù)據(jù)，JMA等式中的常數(shù)就可以估計(jì)出來(lái)。最后，等溫JMA等式整合在計(jì)算熱循環(huán)中來(lái)計(jì)算硬度。

▲圖2. 本研究所采用的測(cè)量流程圖。關(guān)鍵的組成部分為DED-L工藝，DED-L的機(jī)械模型（傳熱和流體流動(dòng)）用來(lái)計(jì)算熱循環(huán)和H13工具鋼的等溫時(shí)效數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)JMA等式的常數(shù)。機(jī)械模型和JMA為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)模型組合在一起來(lái)獲得預(yù)測(cè)的模型來(lái)估計(jì)DED-L過(guò)程中制造的H１３工具鋼部件的硬度。

▲圖３. ３D溫度和速度場(chǎng)在兩個(gè) 等角視圖（ａ）（ｂ）時(shí)使用DED－L　H１３工具鋼進(jìn)行傳熱模型進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果。激光參數(shù)為：激光功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。

▲圖４. 在長(zhǎng)度方向平面（圖３中的XZ）在DED－L沉積H１３工具鋼時(shí)在中間寬度位置計(jì)算得到的溫度和速度場(chǎng)：(a) 1st, (b) 2nd, (c) 3rd和 (d) 4th層。為激光參數(shù)為：激光功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。(e)在沉積４層的時(shí)候在四個(gè)位置計(jì)算得到的熱循環(huán)。

▲圖５. (a) 在在采用不同的激光功率沉積第四層的時(shí)候，第一層所計(jì)算得到的熱循環(huán)；(b)在兩種激光功率條件下進(jìn)行沉積第四層時(shí)計(jì)算得到的硬度。硬度值得計(jì)算為頂部得每層得中間長(zhǎng)度和中間寬度得位置。所有得結(jié)果均為DED-LH13工具鋼得硬度結(jié)果，采用得加工參數(shù)為：掃描速度 8.47 mm/s。

結(jié)論
性能預(yù)測(cè)模型基于DED-L過(guò)程中的傳熱和流體流動(dòng)模型和JMA為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)H13工具鋼部件的硬度。部件中不同位置的熱循環(huán)，基于傳熱和流體流動(dòng)模型，經(jīng)過(guò)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試。H13工具鋼的等溫時(shí)效數(shù)據(jù)用來(lái)估計(jì)JMA等式的常數(shù)。ＪＭＡ等式整合之后計(jì)算得到的熱循環(huán)來(lái)預(yù)測(cè)H１３鋼的硬度。計(jì)算得到的硬度同獨(dú)立實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是吻合的。如下為主要結(jié)論：

(1)H13 工具鋼的硬度可以通過(guò)使用傳熱和流體流動(dòng)模型來(lái)預(yù)測(cè)隨工藝參數(shù)的變化所得到的硬度，該模型為相變動(dòng)力學(xué)和時(shí)效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

(2)部件區(qū)域位置的硬度隨著能量強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間和重復(fù)的熱循環(huán)系數(shù)的增加而降低。在DED－L過(guò)程中的馬氏體的形成是高的冷卻速率造成的分解成時(shí)效馬氏體而造成的，這是因?yàn)闀r(shí)效包括多個(gè)熱循環(huán)。結(jié)果，部件的硬度降低�！�

(3)部件的底部層在隨后的沉積層的過(guò)程中經(jīng)受著大量的熱循環(huán)，從而由于時(shí)效而造成硬度降低。因此，硬度隨著距離沉積層的距離而降低�！�

(4)由于激光功率高和掃描速度慢而造成的高的熱輸入會(huì)導(dǎo)致冷卻速率慢，從而硬度降低。此外，高的熱輸入造成在特定區(qū)域的溫度升高而形成時(shí)效馬氏體。由于以上原因，部件在高溫下制造時(shí)得到的硬度低�！�

這里量化的測(cè)量方法也可以用來(lái)預(yù)測(cè)其他商業(yè)合金的硬度,如析出硬化鋼類型的鎳基高溫合金,至少在原理上是可行的.然而,由于這類合金復(fù)雜的時(shí)效特性,硬度的計(jì)算就不能直接進(jìn)行.相似的工作需要發(fā)展這些合金的時(shí)效動(dòng)力學(xué)才能整合到計(jì)算的熱循環(huán)當(dāng)中.相似的硬度可以在部件的不同位置中結(jié)合顯微組織來(lái)實(shí)現(xiàn).不能直接通過(guò)捕獲所有的相來(lái)計(jì)算硬度,由此在將來(lái)有大量的工作需要開(kāi)展.由于硬度(強(qiáng)度)隨時(shí)間-空間的變化可以依據(jù)工藝參數(shù)的變化來(lái)預(yù)測(cè).控制顯微組織和性能對(duì)每一種材料來(lái)說(shuō),至少對(duì)比較簡(jiǎn)單的合金是可以實(shí)現(xiàn)的。

▲圖7. (a)H13工具鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線; 形成富Cr和富V碳化物在增材制造H13工具鋼的時(shí)候時(shí)效馬氏體的顯微組織; (c)沉積態(tài)中形成的馬氏體組織和(d)在部件的隨后的沉積過(guò)程中經(jīng)受重復(fù)加熱和冷卻得到的時(shí)效馬氏體結(jié)構(gòu)并同時(shí)伴隨著碳化物析出相

圖8 增材制造預(yù)測(cè)合金組織和形貌的一個(gè)案例

文章來(lái)源：Spatial and temporal variation of hardness of a printed steel part，Acta Materialia，Available online 25 February 2021, 116775，
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116775
參考文獻(xiàn):Building blocks for a digital twin of additive manufacturing,Acta Materialia,Volume 135, 15 August 2017, Pages 390-399,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.039