南科大&哈工大顶刊丨镍基高温合金激光粉末床熔融增材过程柱状-等轴晶转变准则及凝固特性
文章摘要
南方科技大学和哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了关于激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造中高温合金柱状向等轴晶转变（CET）的研究。该研究开发了一种算法，扩展了CET模型至L-PBF工艺的凝固速率区间，并通过实验验证了模型的准确性。研究发现，临界温度梯度随凝固速率增加呈现峰值，而非单调增加。调整激光功率和扫描速率对熔池凝固界面温度梯度影响较小，难以改变晶粒生长模式。研究结果有助于优化L-PBF工艺参数，为制造单晶高温合金提供指导。
正文
本研究开发了一种算法，成功地将CET模型的应用扩展至涵盖L-PBF工艺的凝固速率区间，并通过实验验证了模型的准确性。扩展的CET模型表明，从柱状外延生长到等轴生长的临界温度梯度并不随着凝固速率的增加而单调增加，而是呈现出峰值，L-PBF熔池凝固界面处的温度梯度大于该峰值。
此外，调整激光功率和扫描速率后，合金的凝固模式仍保持外延，因为调整这两个参数对L-PBF熔池凝固界面温度梯度的影响较弱。L-PBF过高的温度梯度也使得在1000K以下的预热温度下难以将凝固模式从外延转变为等轴。由于沉积层温度升高而导致的熔池形貌的变化更值得关注在微观结构形成方面。这项研究的结果有望为设计工艺参数提供指导，以优化使用L-PBF制造的高温合金的微观结构。
图1 增材制造建模
本研究亮点包括：
图3 L-PBF 熔池内的枝晶 (a,c) 和晶粒 (b,d) 形态。红色箭头表示树突的方向。黑色虚线表示熔池边界
图4 (a) 预测的等轴晶粒含量和实验测量的 (b) DED 熔池内的枝晶和 (c) 晶粒形态
本文将CET模型的适用性扩展到覆盖L-PBF工艺的更高凝固速率区间，并通过实验验证了模型的准确性。此外，结合熔池模拟研究了激光功率、扫描速度和预热温度对L-PBF熔池凝固条件和CET行为的影响。分析得出以下结论：
(1) 柱状到等轴转变的临界温度梯度不会随着凝固速率的增加而单调增加，而是有一个峰值（IN718为1.4 ×107K/m）。当温度梯度增加到峰值以上时，凝固速率的变化不会导致合金的凝固模式从外延生长转变为等轴生长。
(2) 调整激光功率和扫描速率主要改变L-PBF熔池凝固界面的凝固速率，但对温度梯度影响较小。此外，由于L-PBF熔池凝固界面处的温度梯度超过了CET的峰值，调整激光功率和扫描速率很难将晶粒生长模式从外延转变为等轴。预热温度的升高导致L-PBF熔池凝固界面的凝固速率和温度梯度同时降低，且预热温度低于1000 K并不会增加等轴晶粒数量。
