金屬頂刊《ACTA》：增材制造彎曲晶粒界面“魚鱗”形貌異種合金材料！
時間：2021-10-02 20:27 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：本文采用數值模擬方法研究了Inconel
718粉末在316L奧氏體不銹鋼應力基體上經過單道激光PBF后形成不同凝固界面形貌的物理機制。將微米尺度的流體動力學和凝固協議與納秒級熱擴散過程相結合這些與參數實驗相輔相成，以驗證模擬。結果表明，由于反沖壓力、馬蘭戈尼力、表面張力和熔池形狀的共同作用，在某些工藝參數組合下會出現具有“魚鱗”形態的界面。確定了取決于熔池寬度和深度的三種不同形態，并計算了每種形態的界面面積。闡明了加工條件的影響，這些條件不僅決定了熔池的幾何參數，而且還決定了合金化程度和界面微觀結構內產生的晶粒形態。
金屬部件的增材制造(AM) 與傳統制造方法相比具有許多優勢，因此正在大力研究。探索最廣泛的 AM
技術是使用激光 (LPBF) 或電子束 (EPBF) 逐行和逐層選擇性融合粉末床 (PBF) 來構建所需的 3D
對象。這些技術還可用于制造具有連續成分梯度的組件，并連接或包覆不同的金屬/合金。與定向能量沉積相比，使用 PBF
技術實現這些具有挑戰性(DED) 流程，但由于 PBF 能夠構建具有更高復雜性和更精細細節的零件，因此一直在上升。因此，已經為
PBF系統提出了創新的解決方案，以在單個構建過程中實現成分不同的粉末鋪展 。利用這些將大大增強 AM 的多功能性。然而，在融合在一起的不同金屬之間賦予強大的冶金結合是一個關鍵挑戰，因為它們的熱物理和化學性質的差異可能會導致界面薄弱。
當涉及到限制制造部件的機械完整性和可靠性的性能時，這種界面可能充當結構中的“薄弱環節”。由于粉末的熔化和隨后的凝固在
PBF過程中迅速發生，因此這些過程固有的大量殘余應力；這種應力本身可以幫助分離沉積層.因此，在 LPBF/EPBF
或直接能量沉積過程中，詳細了解異種合金之間的界面形態及其微觀結構發展至關重要。然而，通過直接的實驗觀察很難在三維空間中獲得這樣的洞察力，而另一方面，模擬異種合金的界面形態需要考慮各種物理過程（粉末和粉末的快速熔化和隨后凝固）之間的復雜相互作用。迄今為止還沒有提出異種合金界面的三維形貌演變。
通過實驗路線，對激光熔覆異種金屬（LCDM）的界面形貌、微觀結構和機械性能進行了廣泛的探索。所研究合金的一些例子包括鈦基（Ti6Al4V/316、Ti6Al4V/invar）、鐵基（316L/Cu、Inconel625/316L）和其他合金。嚴格地說，界面包括異種金屬相互擴散的區域，形成中間成分的區域，這可能導致形成脆性第二相，如金屬間化合物和非晶相。這會導致一個主要問題，即由于在 PBF 過程中產生的拉伸殘余應力而在界面處發生裂紋 。如果包層界面在制造過程中幸存下來，脆性中間相的應變局部化會導致機械拉伸載荷期間過早開裂和失效。
在金屬增材制造的背景下，計算流體動力學(CFD) 方法被廣泛用于了解單一合金的熔化、凝固、蒸發、冷凝和多相流動的物理過程，從而優化打印部件的質量。然而，對異種合金 PBF 的此類研究很少。最近，顧等人對Cu10Sn
合金粉末在奧氏體不銹鋼316L 基材上的選擇性激光熔化進行了 CFD 研究。由于激光Cu10Sn 粉末的吸收率低（約
0.03），熔化的熱傳導模式占主導地位。他們發現界面處的相遷移與熔池內部的對流有關，這有助于兩種合金的混溶。在隨后的工作中，Sun
等人考慮到兩種合金之間的混溶性，并在 IN718 基板上模擬 Cu10Sn 粉末的激光粉末床熔合過程.
由于熔化的熱傳導模式邊緣滲透到基板中，復雜層間界面的形成受到熔池中不同材料的可用性的限制。因此，通過這些建模工作無法捕獲由穿透兩種合金之間界面的小孔穿透和界面的相關形態變化所主導的熔化。
在目前的工作中，新加坡南洋理工大學ZhongminXiao將微米級流體動力學與納秒級熱擴散過程相結合以捕獲環境氣體和合金之間的熱相互作用的多物理模型被用來模擬并詳細檢查微觀結構復雜界面的形成在兩種不同合金的
LPBF 期間。模擬預測通過單軌 LPBF 實驗進行驗證，以確定有利于形成具有“魚鱗”形態的不同互穿界面的條件。相關研究成果已題“On
the formation of “Fish-scale” morphology with curved graininterfacial
microstructures during selective laser melting of
dissimilaralloys”發表在金屬頂刊Acta materialia上。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645421007114
圖1。單軌激光掃描的代表性圖像，顯示用于提取物理參數和本研究中使用的各種觀察方向的橫截面。橫截面 AA 平行于掃描和構建方向。橫截面 BB 到 EE 垂直于掃描方向，同時平行于構建方向。D m是熔池底部到基材頂部的距離。
圖2。單個軌道的地形。上圖顯示了單個軌道的 3D 視圖，中間和底部行中的圖像分別顯示了軌道不同位置的模擬和實驗結果（頂視圖）。
圖3。IN718粉末的單軌激光熔化期間形成的熔體池在 316L 基板上以三種不同的激光功率 ( L )的掃描速度 ( V )。
圖 4。代表性模擬結果顯示 (a) 熔體流動、(b) 表面張力梯度和 (c) 沿截面AA 的溫度梯度，該溫度梯度從L = 200 W 和V = 900 毫米/ s。圖（b）中，從圖（a）中的熔池中提取的表面張力梯度，圖（c）是從圖（b）中提取的合金表面的溫度和溫度梯度。顏色形狀代碼：熔體速度方向-黑色箭頭；熔池邊界——藍線；T ep等溫線 (1801K) – 白線；T es等溫線 (2400 K) – 黃線；鎖孔邊界——紅線；IN718分布——綠地；316L分布——紅色區域；+ Δσ /ΔŤ -淡藍色區域; -Δ σ / Δ T –深藍色區域。
(責任編輯：admin)
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