来源：长三角G60激光联盟
据悉，在本研究中，研究了激光强度分布椭圆度对316L不锈钢熔体轨迹宏观组织和微观组织的影响。
增材制造（AM）金属通常具有高度织构，包含在陡峭的温度梯度和快速凝固条件下外延生长的大柱状晶粒。这些独特的微观结构部分解释了AM和常规加工合金之间存在的巨大性能差异。尽管等轴晶粒对于各向同性力学行为是理想的，但对于常规凝固过程，柱状到等轴转变仍然很难预测，对于AM更是如此。在本研究中，研究了激光强度分布椭圆度对316L不锈钢熔体轨迹宏观组织和微观组织的影响。实验结果得到了使用ALE3D多物理程序模拟的温度梯度和熔体速度的支持。作为一般趋势，对于所有光束轮廓，随着激光功率和扫描速度的增加，柱状晶粒优先形成。然而，当发生传导模式激光加热时，使用高斯轮廓产生粗柱状微观结构的扫描参数会使用椭圆轮廓产生等轴或混合等轴柱状显微结构。通过实时调制空间激光强度分布，可以将特定位置的微观结构和特性直接设计成增材制造的零件。
1.介绍
在过去的十年中，由于直接从计算机辅助设计（CAD）文件构建复杂三维零件的前景，增材制造（AM）的研究取得了巨大的势头。在激光粉末床熔合（LPBF）过程中，加工参数（如激光功率、扫描速度、扫描图案和填充间距）通常已被优化，以提高几何精度并降低缺陷浓度。然而，在采用这种宏观方法时，常规机械加工和AM零件之间性能差异的微观结构-性能关系往往被忽略。
在两个垂直视图中绘制 AlSi10Mg SLM 部件的 EBSD 方向图。
上图给出了样品的正面和顶视图的EBSD图。前视图显示了垂直于该部分扫描的几个熔池的晶粒结构。可以区分不同的熔池，因为细长的颗粒总是向熔池的中心生长，并且外延生长只发生在特定的地方。在熔池的中心线，谷物外延生长;而在远离中心线的地方，可以观察到新的小晶粒。在这些新成核的谷物中，出现了竞争性增长。只有少数方向可以进一步向熔池中心生长。此外，在零件的顶层（见前视图图片的顶部），在熔池的顶部形成了等轴晶粒。但是，对于每一层，扫描下一层时，前一层凝固熔池的顶部将被重新熔化。重熔量等于熔池高度约100μm减去30μm的层厚，即70μm。结果，熔池顶部的等轴晶粒被重新熔化并从结构中消失。只有来自零件最后一个扫描层的等轴晶粒才能持续存在。
在这项工作中，光束椭圆度是激光增材制造过程中微观结构控制的潜在手段。商业LPBF系统通常使用圆形高斯强度分布，尽管它们可能不适合优化过程控制。在构建过程中，可以通过将激光转向光束整形光学元件（例如变形棱镜对）来实时调制光束椭圆度。由于局部温度梯度受到影响，因此可以通过原位调节梁形状，在指定位置设计等轴或柱状晶粒。已经探索了椭圆光束用于激光退火半导体，但对其对金属凝固的影响的了解仍然相对有限，特别是对于金属AM。本研究探索了316L不锈钢单轨中圆形和椭圆形激光强度分布产生的微观结构。测量并讨论了宏观特征，如轨迹连续性、粗糙度和熔体深度。
使用不同扫描策略生产的AlSi10Mg SLM部件的极点图和反极图。
本研究的目的是确定不同光束尺寸、激光功率和扫描速度下圆形和椭圆形激光强度分布所产生的微观结构。目的是判断光束椭圆度的变化是否可以为激光增材制造过程中的特定位置微结构控制提供途径。ALE3D模拟支持对实验结果的分析。
2.实验
2.1.激光粉末床融合实验
使用316L不锈钢粉末（Concept laser）在316L不锈钢衬底（McMaster Carr）上完成单轨激光熔化实验。
研究了三种尺寸的圆形和椭圆形光束轮廓（图1）。尺寸S受到使用当前设置可实现的最小短轴的限制。椭圆光束的长轴平行于（“纵向”，LE）和垂直于（“横向”，TE）扫描方向，并与圆形（C）光束扫描进行比较。强度分布由几何形状和尺寸命名（例如，LE-M指尺寸为M的纵向椭圆束）。
图1.尺寸为L的（a）圆形高斯光束和（b）椭圆形光束的测量空间强度分布的数值拟合。
2.2.特征
通过激光共聚焦显微镜（Keyence）生成单个轨迹的宽场高度图，以评估宏观形态特征。使用背散射电子探测器，在15–30 kV下通过扫描电子显微镜（TESCAN VEGA3 SEM）检查横向和纵向轨道横截面。具体而言，使用SEM表征了熔体珠的表面润湿程度（接触角，θ）和深度（d）与宽度（w）之比（图2）。由于在实际LPBF过程中添加后续层后，熔珠所代表的区域将被重新熔化并重新凝固，因此，在熔融区的根部表征了等轴和柱状微观结构。在LPBF过程中，部分再熔化是必要的，以达到完全密度。
图2 标注的典型横向熔体轨道横截面尺寸。
3.结果
3.1.宏观结构
熔体轨迹的形态特征（即轨迹连续性、焊道高度、衬底穿透深度、接触角和中心线粗糙度）绘制在不同激光强度分布的能量密度与激光功率的关系图上。所选轨迹的高度图显示了强度分布和光束大小的趋势，如图3所示。
图3 在P=250 W和Q=260 J/mm3时产生的单个熔体轨迹的高度图。
为了限制实际过程窗口，首先讨论了LPBF的最不合适条件。最大光束尺寸（C-L）下的圆形强度分布导致焊道高度达到粉末层厚度（t，50μm）的4.8倍，表面粗糙度高（Ra=49.2±16.7μm）。在80–140 J/mm3时，熔体轨迹仅通过窄颈（图4a）或通过润湿表面并形成半圆形熔体珠横截面粘附到基底上。
图4 圆形（左）、纵向椭圆形（中）和横向椭圆形（右）激光强度分布的能量密度（J/mm3）与激光功率（W）的处理图。
单个扫描轨迹及其方向可以从凝固熔池顶部产生的新月形凝固涟漪中辨别出来。此外，熔池具有细长的，几乎是泪滴状的形状。φ角，即波纹和激光运动方向之间的角度，在熔池尾部的大部分上约为35°。此外，与晶界相对应的细细发际线或多或少垂直于涟漪。表面是平坦的，相邻的轨道重叠了近50%。
不同放大倍率下竣工Ta90°（a和c）和Ta0°（b和d）SLM部件顶面的SEM图片。
3.2.微观结构
微观结构在两个不同的尺度上进行检查：（1）在晶粒形态层面，（2）在凝固亚结构层面，也称为凝固模式。晶粒形态可以从等轴到柱状不等，而凝固亚结构可以从平面到细胞再到树枝状不等。虽然柱状晶粒是细长的，并且通常在熔合边界处外延成核，但等轴晶粒可以在熔体中的任何位置形成。
在单个熔体轨迹中，区分细胞和树突可能具有挑战性。凝固细胞在熔体中逆平行于热提取方向生长，而枝晶在最接近逆平行于热量提取方向的优选结晶方向生长。纵向截面（图5a）对于揭示细胞晶粒的指示曲率是必要的，因为观察到细胞生长远离融合边界，并在激光扫描方向上向熔体轨迹表面弯曲。考虑到高激光扫描速率，大柱状晶粒的强取向偏好表明枝晶凝固。等轴晶粒可以是细胞状或树枝状。
图5 （a）熔体轨迹的纵向横截面，其中激光扫描方向从右向左。可观察到柱状树枝状和等轴晶粒。该轨迹是使用P=550W和Q=140J/mm3的LE-L光束形成的。显微偏析相关的点蚀在熔合边界附近最明显，其中R最低。使用TE-L梁在P=350 W和Q=260 J/mm3时形成该轨道。
通常，无论光束的椭圆度或尺寸如何，在较低的激光功率下，等轴凝固都是有利的，尤其是当熔体未穿透或穿透较差时。随着功率和扫描速度的增加，柱状晶粒的浓度增加（图6）。显示锁孔模式激光加热的轨迹完全由柱状晶粒组成。
图6 在恒定能量密度（260 J/mm3）和不同功率下使用C-M轮廓产生的熔体轨迹根部的横截面：（a）P=50 W，（b）P=250 W，和（C）P=550 W。等轴晶粒（与柱状晶粒相反）占据的百分比面积随着激光功率和扫描速度的增加而增加。
最有趣的是，椭圆梁剖面产生等轴或混合等轴柱状微观结构的参数空间比圆形梁剖面大得多，TE剖面最有利于等轴凝固。例如，在350 W和Q=80–260 J/mm3时，C-M分布将只导致柱状凝固（图7）。然而，在不改变激光功率、扫描速度或光束尺寸的情况下，对于Q=260 J/mm3的LE轮廓和Q=200–260 J/mm3的TE轮廓，可以获得更大的等轴晶粒面积分数。
4.模拟
通过使用ALE3D代码对激光-材料相互作用进行建模，进一步研究了光束形状对轨道宏观和微观结构的影响（Movie 1-3）。在轨道熔化模拟过程中，可以观察到表面张力和蒸汽反冲对轨道形貌的作用（图8，图9）。
图8 通过（a）C-S、（b）LE-S和（C）TE-S轮廓形成熔体轨迹的俯视图，其中激光扫描发生在正x方向。伪色与温度线性对应，其中红色为3200K，蓝色为室温。等温等高线如下：灰色=500 K，红色=1700 K，紫红色=2500 K，黑色=3500 K
图9 通过（a）C-S、（b）LE-S和（C）TE-S轮廓形成熔体轨迹的纵向截面图，其中激光扫描发生在正x方向。伪色范围与温度线性对应，其中红色为3200 K，蓝色为室温（298 K）。图中显示了等温线，其中灰色=500 K，红色=1700 K，品红色=2500 K，黑色=3500 K。速度矢量的大小随大小而定。对于子图b，熔体轨迹中捕获的孔隙以白色显示。
5.讨论
5.1.宏观结构
AM参数选择的传统方法非常强调缺陷缓解。为了减少熔合缺陷的缺乏，非常需要具有接近粉末层厚度的焊道高度的光滑、连续的轨道。高的熔珠会阻碍均匀的粉末扩散，而由于成球或不连续轨迹造成的构建表面波动会在后续层中放大。在这两种情况下，空隙形成的可能性都很高。熔体渗入基底的深度也需要优化。尽管表面附着力差会导致平面缺陷成为裂纹成核点，但深衬底渗透可能伴随着小孔空隙。结果表明，圆形和椭圆形光束强度分布在不同尺寸下表现最佳。
Ta90°俯视图的LOM和EBSD图像。
这项研究最初的动机是通过改变激光束椭圆率在指定位置产生有利的轨道形态。例如，在尺寸M时，与圆形强度分布相比，使用椭圆形强度分布改善了珠高度、轨道连续性和基底润湿。然而，并非在所有光束尺寸下都观察到这种趋势。极端情况发生在尺寸S处，对于这种情况，圆形轮廓远远超过LE-S和TE-S轮廓。在尺寸L时，LE-L和TE-L轮廓显著改善了轨道宏观结构；但是，C-L轮廓将不适用于大多数AM应用，因为它首先会导致不连续的球状轨迹。然而，代替用于添加材料，椭圆光束可以用于对圆形轮廓沉积的区域进行再加工，以降低表面粗糙度。
5.2.微观结构
目前对温度梯度（G）和凝固速率（R）如何影响凝固微观结构和图案的理解主要基于传统的亚稳和快速凝固研究。由于熔化的局部化性质和极端凝固速率，在LPBF期间测量G和R仍然具有实验挑战性。大量的数值工作致力于对特定G和R下形成的微观结构进行建模，但大多数工作尚未完全预测。使用几种技术对激光熔融合金凝固进行了实时观察，但通常使用简单的二元系统作为案例研究。然而，流行的AM候选者是多组分、多晶型和/或多相（例如，不锈钢、铬镍铁合金、Ti-6Al-4V、AlSi10-Mg等）。为了阐明导致LPBF材料独特微观结构的机制，ALE3D温度梯度和流动模式模拟提供了有用的信息。例如，建模的速度矢量证明了LPBF的动态特性，以及为铸件开发的凝固分析的不适用性。
Ta0° 正面（a–c）和侧面 （d–f） 视图的 LOM 和 EBSD 图像。
观察到的大多数柱状晶粒都是树枝状的。在所有情况下，柱状晶粒中的一次枝晶在二次枝晶臂形成之前相互碰撞，表明快速凝固、紧密的枝晶间距和枝晶间溶质捕获。此外，对于所有研究的强度分布，在高功率和扫描速度下观察到柱状树枝状凝固（图4，图6）。这是意料之中的，因为柱状枝晶凝固在低G/R[45]和R标度下随扫描速度发生。然而，保持扫描速度恒定，可以使用中等功率（250–350 W）的椭圆形轮廓，但不使用圆形轮廓，生产混合等轴柱状微结构，这突出了与梁形状相关的重要物理考虑因素（例如，温度梯度和熔体动力学）的需要。
在激光粉末床熔合中，在特定位置定制微观结构的能力产生了重大影响。除了Hall-Petch强化，等轴晶粒可用于限制易感材料的热裂纹，为晶间裂纹扩展引入更危险的路径，或改善表面附近的疲劳寿命和应力集中的几何特征。大的柱状晶粒可以提高抗蠕变性能，或在特定应用中产生强的纹理和各向异性特性。随着微结构控制的出现，LPBF从一种方便的净形状制造工具转变为一种强大的加工技术，用于生产具有增强性能和性能的设计材料。
6.结论
研究了圆形、纵向椭圆和横向椭圆激光强度分布对单轨宏观结构和微观结构的影响。在尺寸S（100μm等效光束尺寸）下，圆形轮廓产生光滑、连续的轨迹，而椭圆形轮廓均产生粗糙、不连续的轨迹。仅在尺寸S处观察到锁孔模式激光加热，最显著的是使用圆形光束轮廓。此外，激光加热模式由光束形状、激光功率和能量密度决定。在尺寸M和L（175μM和250μM等效光束尺寸）下，使用椭圆强度轮廓改善了轨道连续性、平滑度和基底附着力，同时降低了熔珠高度。
更重要的是，射束椭圆率对凝固微观结构有很强的影响。当传导模式激光加热发生时，椭圆强度分布在比圆形分布大得多的参数空间内产生等轴或混合等轴柱状晶粒。这表明，在中等功率（150–450 W）下，可以通过改变光束强度空间分布来调整晶粒形态，同时保持恒定的激光功率和扫描速度。由于能够局部和动态控制微观结构，现场特定特性可以直接设计到附加制造的零件中。
来源：Modulating laser intensity profile ellipticity for microstructural control during metal additive manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.025
参考文献：Tailoring the grain structure of IN718 during selective electron beam melting；MATEC Web Conf., 14 (2014), p. 8001, 10.1051/matecconf/20141408001
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