顶刊《Acta Materialia》： 定向能沉积增材制造的相关同步加速器X射线成像和衍射(2)
时间：2023-01-30 11:48 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
3.4.应力演变
如图6所示，在第三层构建过程中，在熔体轨迹区域原位收集了衍射数据。该数据用于量化应力演变，与多层构建条件下DED-AM期间的相分数形成对比，并可用于裂纹敏感性预测。选择{200}γ反射来计算应力；尽管可以从该相位使用任何反射，但使用峰值的最高强度（具有最高信噪比）被认为提供了最佳精度。
图6 从衍射图得出的熔体轨迹映射结果。
构建后样品中的残余应力以逐层间隔测量，包括在基底中测量的一行。σxx、σxy和σyy分量的结果如图7所示。如预期的那样，在衬底中（在22.5mm的位置），面内应力分量被测量为近似为零。建筑内的法向应力分量σxx和σyy被测量为压缩，并且在每个单层内具有相似的大小，σxy被测量为近似为零。σxx和σyy的实测压缩应力范围为-45 MPa至-125 MPa，表明层间应力变化；然而，需要进一步的分析来证实这一点，因为误差大小相似。
图7 根据衍射图计算的宰后多层构建中的残余应力。（a）显示线扫描策略的示意图。基底竣工高度0 mm。（b）残余应力测量。
4.讨论
4.1.Marangoni流量
DED-AM过程中的凝固过程由熔池中的传热控制，而DED-AM中的熔池流动是一个关键参数，它决定了熔体轨迹发展和微观结构特征形成过程中的传热和传质。跟踪DED-AM过程中的Marangoni流动，使我们能够了解恒定激光辐射和粉末掺入下的熔池演变。尽管反冲压力、浮力、蒸汽压力和阴影效应等其他因素也会影响熔体流动，但我们的研究表明，表面张力是控制熔体池流动行为的主要驱动力。
通过DLD对薄壁进行数值建模。
模拟质量添加（或“质量化”）的典型方法是解决一系列恒定几何问题，每个问题在给定时间内。对于每个新时间，都会向网格引入新单元，然后连接相邻网格并输入初始条件，同时更新边界条件，如山兔所示。每个新的“活化”元素（或“诞生细胞”）的初始温度几乎等于材料液相线温度。在一段时间内引入的新元素的数量是粉末进料速率的函数。请注意，每个单元都由子单元组成，以便更好地模拟热能扩散和局部流体力学。
4.2凝固过程和冷却速度
熔池的凝固由通过熔池的净传热控制，在本研究中，我们关注两个主要事件：（1）糊状区传热和（2）微观结构演变。糊状区含有固体，以及富含合金元素的枝晶间液体。这里，热梯度是从使用衍射图案的熔池温度映射结果得出的，从而能够更准确地表征熔池凝固前沿行为。
DLD期间带有熔池的热影响区（HAZ）。
数值和/或分析建模的一个明显优势是，它们为“虚拟”运行实验以确定最佳DLD工艺参数提供了一种重要手段。与使用困难的测量技术的试错实验相比，这更具成本效益且耗时更少。数值方法的利用提供了一种更有效的方法来优化DLD工艺，以生产具有目标制造后特性的零件。例如，通过数值模拟，代替昂贵/广泛的实验，最终用户可以学习并提供（i）冷却速率，（ii）HAZ中的热循环频率/幅度和（iii）峰值温度分布。然后，这种“热数据”可用于与零件中
4.3.最终凝固相演变
DED-AM过程中的快速激光诱导加热和冷却速率先前意味着DED-AM期间形成的相只能通过构建后金相分析来测量，通过模拟推断动力学。Zhao等人指出了使用X射线成像估计凝固速率的可能性。然而，我们的研究直接量化了凝固顺序，包括对相形成温度、动力学和体积分数的估计。对于本研究中使用的工艺参数，我们定量确定了IN718 DED-AM过程中的主要相为γ、MC型碳化物和Laves。
我们假设在熔体冷却期间，晶格间距的减小是由于固相线上方的热收缩；因此，可以使用已知的热膨胀系数从晶格间距计算温度演变。我们还假设IN718中γ相的热收缩行为从熔体到室温是线性的。该行为与另一项研究中的观察结果相重复，该研究表明，热膨胀导致IN625中γ相的无应力晶格常数线性增加。然后，使用液相线和室温中列出的热膨胀系数，根据晶格间距计算温度演变。除了MC碳化物和Laves相的形成外，IN718样品在映射区域的冷却过程中没有表现出进一步的相变，因为快速冷却速率被认为足以抑制γ'和γ'相的形成。在没有任何进一步的固态转变的情况下，可以将热效应的贡献与化学效应和应力效应分开。
DLD期间带有熔池的热影响区（HAZ）。
过程量热仪的实验结果代表了量热仪入口和出口的水温差异。上图显示了在1kW激光功率下用粉末加工的Ti-6Al-4V合金的实验结果之一。吸收的总能量，，通过对入口和出口温度差值进行数值积分来计算。
4.4.开裂标准
激光诱导的快速加热和冷却会产生陡峭的热梯度，导致显著的体积收缩和残余应力。同时，在IN718的LAM过程中，晶界和枝晶间区域的共晶反应和元素偏析因溶质富集而产生了显著的过冷度。晶间液体薄膜和高热应力的结合增加了热裂纹的敏感性，特别是热影响区的液裂。从根本上讲，发生热裂纹必须满足两个条件：（a）机械/热约束（应变）耗尽材料的延展性；以及（b）易开裂的微观结构是由于液膜沿凝固边界的持续存在。图8a中绘制了这些值与温度的函数关系。
图8 DED-AM期间IN718的开裂敏感性。
图8a显示，在感兴趣区域的液相线温度（1360°C）下，所有应力均为零，并且在冷却过程中应力增加。因此，在IN718的DED-AM快速冷却期间，一旦固体形成，材料立即达到屈服应力。可以推断，当材料达到接近100%的固体时，弹性开始累积，随着温度降低，弹性持续存在。
5.结论
一种独特的原位和可操作过程复制器已经成功实现，能够对多层DED-AM过程中发生的基础物理进行快速时间分辨同步加速器实时和往复空间X射线成像。在镍基高温合金IN718的DED-AM过程中，获得了重要的新见解，将激光熔化与所得微观结构和潜在的有害特征（如孔隙率和微裂纹）联系起来。可以得出以下关键结论：
•使用成像来指导时间分辨衍射数据的分析，可以在多层DED-AM构建过程中明确地分离热梯度、相变（包括体积分数发展和宏观机械应力发展）。
•通过测量瞬时冷却速率，可以假设在DED-AM期间IN718中的凝固前沿是树枝状的。在冷却过程中，观察到以下相变顺序：液体→液体+γ→液体+γ+MC→液体+γ+MC+Laves→γ+MC+Laves。竣工微观结构主要包括γ，但也包含低体积分数相，包括：；MC碳化物（约1.1体积%）Laves（约0.5体积%），显示了该技术的高灵敏度。
•通过跟踪熔体流动的速度和方向来量化熔体池中的传热动力学。马兰戈尼对流是控制熔池流动的主要现象，其中热对流控制熔池中心，而在糊状区域，热传导占主导地位。
•结果表明，高温区的累积应力主要受热效应的影响。应力足够高，以在材料固化后和进一步冷却期间立即产生材料。应力并没有触发二次强化相或再结晶的形成，而是耗尽了材料的延展性，并可能由于较大的凝固范围而导致液化开裂。
通过描述DED-AM过程中运行的瞬态特性，可以了解竣工特性，包括二次相的体积分数和材料的机械特性，这些特性可用于指导后期热处理策略。将这种见解应用于镍基高温合金和其他合金系统，将有助于提高额外制造零件的质量和性能。
来源：Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116777
参考文献：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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