首页/文章/ 详情

NASA顶刊丨超声激励对激光粉末床熔融Ti-6Al-4V熔池动态特性及微观结构的影响机制

2月前浏览2076
点击关注·聚焦3D打印技术👆      

           
         

         

         

         
粉末床熔融(PBF)增材制造(AM)技术中,因其工艺特有的宽幅温度梯度,经由前期沉积层的外延机制,加速了柱状晶的形成过程,这些定向排列的柱状晶结构引发了显著的机械各向异性,导致成品零件微观结构差异较大,为AM组件的性能预测引入了不确定性。            
而在凝固期间加入超声激励,不仅可以对微观结构进行改性,还能避免调整粉末组成。该技术作用机制多元,主要涉及空化效应与声流现象。空化过程通过微小气泡在高温高压环境下的膨胀、溃灭,释放强烈冲击波,进而打断晶枝生长并促进等轴晶的形成,同时,伴随的压力波动导致的局部过冷有利于异质形核。另一方面,声流通过声能的吸收改变熔池流动模式,有效减缓局部温度梯度,促使成核颗粒均匀分布并使枝晶重熔后形成新核,从而优化微观结构。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!            
美国国家航空航天局(NASA)下设的研究机构兰利研究中心的研究人员针对高强度超声在PBF凝固条件下对熔池动态及Ti-6Al-4V微观结构的作用机制进行了深入探索。通过精密控制激光扫描速率与超声波激发参数,并结合线性扫描与无粉末区扫描实验,系统分析了二者对熔池特性和晶粒形态的影响。同时,利用温度场模拟估算了凝固速率与温度梯度,并与已知的柱状至等轴晶转变图谱进行比对。此外,采用耦合场声弹性有限元模拟方法评估加工中声压分布,并借助Keller-Miksis模型预测空化现象及其潜在的空腔尺度变化。通过对比有无超声条件下样品的微观结构分析,研究揭示超声波作用下晶粒的纵横比普遍减小,但对等效晶粒直径的影响仍需进一步明确。            
尤为重要的是,本研究指出,在PBF工艺框架内,超声波激励对微观结构优化的主要贡献可能更多地归因于声流效应而非空化作用,这一发现为后续优化AM部件的微观结构与性能提供了新的视角和理论依据。            
           

图1. 在(a、b、c)无超声和(d,e,f)有超声条件下,采用三种扫描速度单道扫描样品后其顶面和横截面的光学显微镜图像;(e-3)有超声条件下扫描速度为0.7 m/s的表面高分辨率图像显示了表面的球形孔隙

           

图2. 在(a)锁孔模式和(b)传导模式下,有超声和无超声条件下测量的熔池深度的平均值、标准偏差与模拟熔池深度,以及吸收率为0.34的(c)粉末床熔融和(d)定向能沉积下的模拟温度场示例

           

图3. 在(a,b)0.4 m/s,(c,d)0.7 m/s和(e,f)1.0 m/s扫描速度下,(a,c,e)有超声和(b,d,f)无超声条件下重构的原始β晶粒

           
图4. 等轴、混合和柱状晶生长的Hunt准则曲线的CET图            

相关研究成果以题为 “Influence of ultrasonic excitation on the melt pool and microstructure characteristics of Ti-6Al-4V at powder bed fusion additive manufacturing solidification velocities” 的论文发表在增材制造国际顶刊《Additive Manufacturing》上。



来源:增材制造硕博联盟
ACTAdditive光学航空航天增材理论控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-15
最近编辑:2月前
增材制造博硕联盟
硕士 聚焦增材制造科研与工程应用,致...
获赞 120粉丝 66文章 528课程 0
点赞
收藏
作者推荐

华南理工杨永强教授顶刊丨激光增材制造技术进展与前沿

点击关注·聚焦3D打印技术👆 增材制造(快速成形)技术已在我国发展 30 余年,为向全球学者介绍中国的研究成果,在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下,组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China),通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文,向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。激光增材制造是目前的主流金属增材制造技术之一,主要包括激光选区熔化和激光定向能量沉积技术。由于激光束光斑尺寸小、能量密度高及热影响区小,该技术能保证高致密、高性能精细复杂零件成形,在航空航天、工业模具和生物医疗等领域得到了广泛的应用。目前,激光增材制造技术仍存在以下突出问题:(1)激光选区熔化装备成形尺寸仍然受到限制;(2)三维异质材料成形控制精度低、技术不成熟;(3)激光增材制造零件表面精度仍需进一步提高;(4)单一激光能量场的增材制造零件存在应力大、缺陷不易消除、组织不均匀等问题;(5)成形性能一致性、过程稳定性、以及工艺可重复性亟待提高。本文提供了激光增材制造技术在未来的潜在发展方向:(1)由单一激光器向多波长(红光与蓝光、绿光相结合)/类型(连续激光与皮秒、飞秒激光相结合)/数量激光器发展,实现大尺寸、高效率、高精度增材制造;(2)由低效率、低连接质量多材料增材制造向高效率、高强度多材料增材制造发展,通过改进现有铺粉方式、设计界面连接结构等手段,实现高效率、高强度且粉末不易交叉污染的多材料增材制造;(3)由在线监测向在线监控发展,建立声、光、热、磁等在线监测信号与打印质量的有效评价体系,为在线监控的实现提供关键判据;(4)开发定制化软件解决方案,解决上述及其余复杂工艺成形中路径规划等问题。 Fig. 1. Overview of the frontier progress in LAM techniques developed by our research group Fig. 2. Schematic of the large-scale LPBF technique Fig. 3. Schematic of the blade-based multi-material LPBF technique Fig. 4. LDED-based additive/subtractive hybrid manufacturing techniques Fig. 5. Schematic of off-coaxial monitoring for LPBF process论文引用: Yongqiang Yang, Renwu Jiang, Changjun Han, Jiaqi Chen, Haoran Li, Yan Wang, Jinrong Tang, Heng Zhou, Weinan Hu, Boyuan Zheng, Zixin Liu, Changhui Song, Di Wang. Frontiers in Laser Additive Manufacturing Technology. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200160. 原文链接: https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200160 近年团队发表文章 [1] Xiao Yunmian, Yang Yongqiang, Wang Di, et al. In-situ synthesis of spatial heterostructure Ti composites by laser powder bed fusion to overcome the strength and plasticity trade-off, International Journal of Machine Tools and Manufacture 2024; 196, 104117, ISSN 0890-6955. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104117 [2] Zheng Boyuan, Trofimov Vyacheslav, Wang Di, et al. Study on additive and subtractive manufacturing of high-quality surface parts enabled by picosecond laser. Journal of Materials Processing Technology 2023; 318: 118013. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118013 [3] Dong Zhi, Han Changjun, et al. Role of heterogenous microstructure and deformation behavior in achieving superior strength-ductility synergy in pure zinc fabricated via laser powder bed fusion. International Journal of Extremely Manufacturing 2024; 6: 045003. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3929. [4] Wang Di, Liu Linqing, Han Changjun, et al. Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion. Virtual and Physical Prototying 2022; 17(2): 329-65. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343 [5] 王迪, 邓国威, 杨永强, 等. 金属异质材料增材制造研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(01): 186-198. [6] Wu Shibiao, Yang Yongqiang, et al. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes. Virtual and Physical Prototyping 2023; 18(1): e2158877. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2158877 [7] Xiao Yunmian, Song Changhui, et al. In-situ additive manufacturing of high strength yet ductility titanium composites with gradient layered structure using N2. International Journal of Extreme Manufacturing 2024; 6(3). https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad2602. [8] Dong Zhi, Han Changjun et al. Revealing anisotropic mechanisms in mechanical and degradation properties of zinc fabricated by laser powder bed fusion additive manufacturing. Journal of Materials Science & Technology 2024. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.045. [9] Song Changhui, et al. Radial gradient design enabling additively manufactured low-modulus gyroid tantalum structures. International Journal of Mechanical Sciences 2023; 108710. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108710 [10] 杨永强, 蒋仁武, 刘子欣, 等. 大尺寸粉末床激光熔融流场分析及在线监控研究进展[J].机械工程学报, 2023, 59(19): 389-410. 来源:增材制造硕博联盟

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈