德国亚琛工大顶刊丨激光粉末床熔融增材过程柱状晶向等轴晶的转变及晶粒细化机理

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德国亚琛工业大学研究团队对增材激光粉末床熔合过程中钢柱状晶向等轴晶转变及晶粒细化机理进行研究，相关成果以 “Understanding the mechanism of columnar–to-equiaxed transition and grain refinement in additively manufactured steel during laser powder bed fusion” 为题发表在《Additive Manufacturing》上。

激光粉末床熔融(LPBF)是最重要的金属增材制造(AM)技术之一，广泛应用于航空航天、模具和生物医学领域。

控制柱状晶向等轴晶转变(CET)是增材制造金属微结构设计的关键机制之一。纳米粒子是铁素体不锈钢增材制造过程中非均相成核的有效位点，促进了细晶组织的形成，影响了相变速率。然而，晶粒细化、CET和源自这些纳米颗粒的综合机制尚未得到很好的研究解释。本文对含TiN颗粒的Fe-18Cr钢的工艺组织关系进行了定量分析。采用有限元法(FEM)和多相场法(PFM)相结合的方法，揭示了激光粉末床熔合(LPBF)过程中组织演变的机理。

等轴区域的微观结构演变表明了分辨率损失

通过相场模型中的种子密度模型隐含地考虑了TiN颗粒对非均相成核和齐纳钉扎效应的影响。结果表明，过冷度是Fe-18Cr钢的主要凝固参数，而过冷度是凝固过程中粒子活化作为凝固核所必需的。过冷度由工艺参数和颗粒性能控制。LPBF过程中的工艺参数控制了熔池的温度梯度和凝固速度，并影响了各自的过冷度。同时，由自由生长准则控制的粒子特性决定了凝固过程中粒子作为核活化所需的过冷度。

图2所示：通过有限元模拟得出的熔池横向和纵向形态，显示了液体区和糊状区

研究团队通过参考文献中的实验数据，验证了工艺参数和TiN颗粒对CET和显微组织特征的影响，验证了模型的可靠性。在核密度图的基础上，讨论了凝固行为以及颗粒尺寸、体积分数和分布对LPBF过程中微观组织演变的影响。这是第一个考虑了包括生长约束在内的接种合金非均相形核的LPBF凝固过程的PFM模型，而没有对凝固过程中的晶粒演化进行任何粗略的近似研究。