悉尼大学顶刊丨激光定向能量沉积过程热循环诱导IN718镍基合金固态相变的物理模拟_ACT_Additive_航空_航天_增材_焊接_材料_控制

悉尼大学顶刊丨激光定向能量沉积过程热循环诱导IN718镍基合金固态相变的物理模拟

点击关注·聚焦3D打印技术👆

增材制造（AM）技术因其能够高效地生产与修复复杂形状零部件，尤其是在航空发动机中使用的镍基高温合金部件，而备受瞩目。其中，激光定向能量沉积（L-DED）作为一种金属增材制造技术，凭借其能够制造远大于粉末床熔融技术所能处理的部件尺寸，近年来在诸多行业得到了广泛应用。IN718作为一种常用的镍基高温合金，因其优异的焊接性能、可加工性以及高强度、抗腐蚀性、高温下稳定的显微组织等特性，被广泛应用于制造飞机发动等关键工程部件。然而，尽管IN718在传统制造工艺中表现优异，但在L-DED过程中，由于其复杂的内部热分布特性，导致在打印过程中难以有效控制并实现γ'、γ''、δ等重要沉淀相的形成。对于这种复杂微观结构演变过程及其与材料性能间关系的全面理解，至今仍面临较大挑战，尤其是实时观测这些相变过程，通常需要复杂的在线测量设备和技术。

Graphical Abstract

该研究采用MatCalc全程热力学模型辅助物理Gleeble模拟的方法以解决这一难题。热力学模型提供了一种替代在线观测的策略，通过物理模拟与热动力学建模相结合，系统性地揭示了热循环对IN718固态微观结构演化的影响。实验设计上，精确模拟了L-DED过程中IN718所经历的实际热循环条件。研究发现，虽然在临界温度下的短暂保温导致晶粒形貌变化较小，但确实引起了塑性应变的累积。更重要的是，实验清晰揭示了热循环如何调控γ'、γ''、δ等相的演化过程：较高的初始峰值温度会抑制这些相的析出，而延长热循环并在逐渐降低的峰值温度下进行，则有利于这些相的有效析出。具体表现为，δ相主要沿晶界和孪晶界形成，而γ′和γ''相倾向于在富铌（Nb）的区域析出，由此导致材料硬度的非均匀分布。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

实验结果不仅验证了物理模拟方法在再现高温合金增材制造过程中的有效性，更凸显了其作为研究工具的巨大潜力，有望推动当前对增材制造过程中微观结构与性能演变关系的有限认知向深度和广度拓展。

图1 . ( a )用于Gleeble试验的试样示意图及尺寸。两个红点表示热电偶所连接的区域。( b )研究采用的Gleeble 3500热模拟机的试验箱实物图。( c )目标(黑色)与实际(红色) Gleeble热循环对比图。( d ) c图中模拟的L-DED构建示意图。

图2. 原样与Gleeble处理样品显微结构的多相（γ′，γ′，δ和碳化物）演变图。（a）原样，（b）L-11，（c）L11 h，（d）L-8，（e）L-6和（f）L-1。

图3. (a) L-11和(b) L-1的γ基体原子映射图中无聚集和沉淀的迹象，(c) 原样的γ '和γ "存在偏析和沉淀。

图4. MatCalc 对热循环过程中γ′、γ′′、MC型碳化物及δ相演变的预测图:(a) Gleeble模拟器应用的热剖面，(b)相分数，(c)成核速率，(d)沉淀物平均直径，(e)数密度。

相关研究成果以题为 “Thermal cycle induced solid-state phase evolution in IN718 during additive manufacturing: A physical simulation study” 的论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

关注我们, 万物皆可3D打印

来源：增材制造硕博联盟

伦敦大学顶刊丨Al-Fe-Zr合金激光粉末床熔融过程中飞溅与蒸汽抑制的动力学机理

点击关注·聚焦3D打印技术👆 激光粉末床熔融（LPBF）技术，作为一种先进的增材制造（AM）技术，以其卓越的设计灵活性、极短的生产周期以及无需模具投入即可直接制造近净形金属部件而备受推崇。尽管如此，LPBF技术在安全关键领域中的应用面临着需确保零缺陷、高密度金属结构制造的难题。减少表面缺陷或降低粗糙度，可进一步提升LPBF制品的疲劳耐久性。这些表面缺陷通常与LPBF过程中产生的飞溅现象密切相关，因此，深入解析其演变机制，对预防表面缺陷至关重要。在LPBF过程中，过大的飞溅物不仅会在零件表面留下痕迹，增加缺陷和粗糙度，还可能滞留在后续构建层的粉末床上，诱发缺乏融合的孔洞。而轻微飞溅对最终产品性能的潜在影响尚存诸多未知。尽管已有大量文献采用原位高速相机或纹影成像技术捕捉粉末表面的飞溅与蒸汽羽流，但LPBF期间蒸汽凹陷（或称匙孔）形态变化的细节描述上仍显不足。同步辐射X射线源因其卓越的时间分辨率（高达1MHz），成为了记录LPBF过程中飞溅与熔池动态的理想工具。结合同步辐射X射线源与纹影成像，证实蒸汽喷射角度与凹陷区/匙孔形态之间存在紧密关联，但匙孔形态对飞溅形成的具体影响尚不明晰。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！因此，伦敦大学学院的Chu Lun Alex Leung教授团队利用同步辐射X射线源技术揭示并阐述了Al-Fe-Zr铝合金在LPBF工艺中蒸汽凹陷形状与飞溅动力学之间的内在联系。在贴近实际工业的加工环境下，研究团队量化了飞溅颗粒的数量、飞行轨迹、速度及动能，将其作为蒸汽抑制区/匙孔形态的函数。研究指出，凹陷区/匙孔的特定形态影响着飞溅的喷射角度：在传导模式下，准半球状的凹陷促使由蒸汽压力推动的羽流向后方散射飞溅；而匙孔后侧壁则重新组织气体/蒸汽流动路径，导致垂直飞溅喷发及边缘熔滴飞溅。此外，研究还发现了一种飞溅诱导的空腔机制，即在激光与细小飞溅粒子相互作用后，粒子被加速撞击粉末床，诱导粉末剥蚀并形成打印表面的空腔结构。通过对这些激光-飞溅相互作用的量化分析，该团队提出了一种创新打印策略，旨在有效降低缺陷率以显著提升LPBF部件的表面品质。图1. AA8A61.50 在LPBF过程中固体飞溅、粉末团聚和液滴的识别及飞溅行为示意图。图2. LPBF过程中固体飞溅/液滴动力学的量化分析示意图。图3. 固体飞溅/液滴运动与锁孔/凹陷区形貌间的关系示意图，其中（a）和（b）表示激光功率增加的效果（c）和（d）为激光扫描速率降低的效果。图4. 激光飞溅相互作用及其对激光扫描轨迹表面影响示意图。相关研究成果以题为 “Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy” 的论文发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。关注我们, 万物皆可3D打印 AM-union专栏 ‍☆增材应用‍☆增材模拟‍☆研究进展☆航空航天来源：增材制造硕博联盟