頂刊《Acta Materialia》： 定向能沉積增材制造的相關同步加速器X射線成像和衍射(2)
時間：2023-01-30 11:48 來源：長三角G60激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
3.4.應力演變
如圖6所示，在第三層構建過程中，在熔體軌跡區域原位收集了衍射數據。該數據用于量化應力演變，與多層構建條件下DED-AM期間的相分數形成對比，并可用于裂紋敏感性預測。選擇{200}γ反射來計算應力；盡管可以從該相位使用任何反射，但使用峰值的最高強度（具有最高信噪比）被認為提供了最佳精度。
圖6 從衍射圖得出的熔體軌跡映射結果。
構建后樣品中的殘余應力以逐層間隔測量，包括在基底中測量的一行。σxx、σxy和σyy分量的結果如圖7所示。如預期的那樣，在襯底中（在22.5mm的位置），面內應力分量被測量為近似為零。建筑內的法向應力分量σxx和σyy被測量為壓縮，并且在每個單層內具有相似的大小，σxy被測量為近似為零。σxx和σyy的實測壓縮應力范圍為-45 MPa至-125 MPa，表明層間應力變化；然而，需要進一步的分析來證實這一點，因為誤差大小相似。
圖7 根據衍射圖計算的宰后多層構建中的殘余應力。（a）顯示線掃描策略的示意圖。基底竣工高度0 mm。（b）殘余應力測量。
4.討論
4.1.Marangoni流量
DED-AM過程中的凝固過程由熔池中的傳熱控制，而DED-AM中的熔池流動是一個關鍵參數，它決定了熔體軌跡發展和微觀結構特征形成過程中的傳熱和傳質。跟蹤DED-AM過程中的Marangoni流動，使我們能夠了解恒定激光輻射和粉末摻入下的熔池演變。盡管反沖壓力、浮力、蒸汽壓力和陰影效應等其他因素也會影響熔體流動，但我們的研究表明，表面張力是控制熔體池流動行為的主要驅動力。
通過DLD對薄壁進行數值建模。
模擬質量添加（或“質量化”）的典型方法是解決一系列恒定幾何問題，每個問題在給定時間內。對于每個新時間，都會向網格引入新單元，然后連接相鄰網格并輸入初始條件，同時更新邊界條件，如山兔所示。每個新的“活化”元素（或“誕生細胞”）的初始溫度幾乎等于材料液相線溫度。在一段時間內引入的新元素的數量是粉末進料速率的函數。請注意，每個單元都由子單元組成，以便更好地模擬熱能擴散和局部流體力學。
4.2凝固過程和冷卻速度
熔池的凝固由通過熔池的凈傳熱控制，在本研究中，我們關注兩個主要事件：（1）糊狀區傳熱和（2）微觀結構演變。糊狀區含有固體，以及富含合金元素的枝晶間液體。這里，熱梯度是從使用衍射圖案的熔池溫度映射結果得出的，從而能夠更準確地表征熔池凝固前沿行為。
DLD期間帶有熔池的熱影響區（HAZ）。
數值和/或分析建模的一個明顯優勢是，它們為“虛擬”運行實驗以確定最佳DLD工藝參數提供了一種重要手段。與使用困難的測量技術的試錯實驗相比，這更具成本效益且耗時更少。數值方法的利用提供了一種更有效的方法來優化DLD工藝，以生產具有目標制造后特性的零件。例如，通過數值模擬，代替昂貴/廣泛的實驗，最終用戶可以學習并提供（i）冷卻速率，（ii）HAZ中的熱循環頻率/幅度和（iii）峰值溫度分布。然后，這種“熱數據”可用于與零件中
4.3.最終凝固相演變
DED-AM過程中的快速激光誘導加熱和冷卻速率先前意味著DED-AM期間形成的相只能通過構建后金相分析來測量，通過模擬推斷動力學。Zhao等人指出了使用X射線成像估計凝固速率的可能性。然而，我們的研究直接量化了凝固順序，包括對相形成溫度、動力學和體積分數的估計。對于本研究中使用的工藝參數，我們定量確定了IN718 DED-AM過程中的主要相為γ、MC型碳化物和Laves。
我們假設在熔體冷卻期間，晶格間距的減小是由于固相線上方的熱收縮；因此，可以使用已知的熱膨脹系數從晶格間距計算溫度演變。我們還假設IN718中γ相的熱收縮行為從熔體到室溫是線性的。該行為與另一項研究中的觀察結果相重復，該研究表明，熱膨脹導致IN625中γ相的無應力晶格常數線性增加。然后，使用液相線和室溫中列出的熱膨脹系數，根據晶格間距計算溫度演變。除了MC碳化物和Laves相的形成外，IN718樣品在映射區域的冷卻過程中沒有表現出進一步的相變，因為快速冷卻速率被認為足以抑制γ'和γ'相的形成。在沒有任何進一步的固態轉變的情況下，可以將熱效應的貢獻與化學效應和應力效應分開。
DLD期間帶有熔池的熱影響區（HAZ）。
過程量熱儀的實驗結果代表了量熱儀入口和出口的水溫差異。上圖顯示了在1kW激光功率下用粉末加工的Ti-6Al-4V合金的實驗結果之一。吸收的總能量，，通過對入口和出口溫度差值進行數值積分來計算。
4.4.開裂標準
激光誘導的快速加熱和冷卻會產生陡峭的熱梯度，導致顯著的體積收縮和殘余應力。同時，在IN718的LAM過程中，晶界和枝晶間區域的共晶反應和元素偏析因溶質富集而產生了顯著的過冷度。晶間液體薄膜和高熱應力的結合增加了熱裂紋的敏感性，特別是熱影響區的液裂。從根本上講，發生熱裂紋必須滿足兩個條件：（a）機械/熱約束（應變）耗盡材料的延展性；以及（b）易開裂的微觀結構是由于液膜沿凝固邊界的持續存在。圖8a中繪制了這些值與溫度的函數關系。
圖8 DED-AM期間IN718的開裂敏感性。
圖8a顯示，在感興趣區域的液相線溫度（1360°C）下，所有應力均為零，并且在冷卻過程中應力增加。因此，在IN718的DED-AM快速冷卻期間，一旦固體形成，材料立即達到屈服應力。可以推斷，當材料達到接近100%的固體時，彈性開始累積，隨著溫度降低，彈性持續存在。
5.結論
一種獨特的原位和可操作過程復制器已經成功實現，能夠對多層DED-AM過程中發生的基礎物理進行快速時間分辨同步加速器實時和往復空間X射線成像。在鎳基高溫合金IN718的DED-AM過程中，獲得了重要的新見解，將激光熔化與所得微觀結構和潛在的有害特征（如孔隙率和微裂紋）聯系起來。可以得出以下關鍵結論：
•使用成像來指導時間分辨衍射數據的分析，可以在多層DED-AM構建過程中明確地分離熱梯度、相變（包括體積分數發展和宏觀機械應力發展）。
•通過測量瞬時冷卻速率，可以假設在DED-AM期間IN718中的凝固前沿是樹枝狀的。在冷卻過程中，觀察到以下相變順序：液體→液體+γ→液體+γ+MC→液體+γ+MC+Laves→γ+MC+Laves。竣工微觀結構主要包括γ，但也包含低體積分數相，包括：；MC碳化物（約1.1體積%）Laves（約0.5體積%），顯示了該技術的高靈敏度。
•通過跟蹤熔體流動的速度和方向來量化熔體池中的傳熱動力學。馬蘭戈尼對流是控制熔池流動的主要現象，其中熱對流控制熔池中心，而在糊狀區域，熱傳導占主導地位。
•結果表明，高溫區的累積應力主要受熱效應的影響。應力足夠高，以在材料固化后和進一步冷卻期間立即產生材料。應力并沒有觸發二次強化相或再結晶的形成，而是耗盡了材料的延展性，并可能由于較大的凝固范圍而導致液化開裂。
通過描述DED-AM過程中運行的瞬態特性，可以了解竣工特性，包括二次相的體積分數和材料的機械特性，這些特性可用于指導后期熱處理策略。將這種見解應用于鎳基高溫合金和其他合金系統，將有助于提高額外制造零件的質量和性能。
來源：Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116777
參考文獻：Additive manufacturing: scientific and technological challenges, market uptake and opportunities, Mater. Today., 21 (2018), pp. 22-37, 10.1016/J.MATTOD.2017.07.001
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