顶刊《Acta Mater》,改变激光光斑时空分布来定制3D打印组织和性能!

3D打印前沿
2020
02/28
10:20
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来源:激光天地


导读:来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员提出了一种通过激光光斑的时空调制来实现打印材料的显微组织和性能的个性化定制。从而为3D开创了一个新纪元,本文为大家简要揭示一下这一重要进展。

众所周知,3D打印可以实现设计更自由、制造更简单。相比较于传统制造,可以实现私人订制。但对其组织和性能的个性化定制却鲜有人提及。来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究表明,不同形状的光斑形貌对于凝固组织的生长和微观组织的形成有极大影响,这有利于增材制造过程中更好的控制等轴晶的形成。相关论文以题为“Microstructuralcontrol in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy”于2月1日发表在金属材料顶级刊物 Acta Materialia。论文部分截图如下:

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论文摘要:增材制造(俗称3D打印),毫无疑问是一项具有革命颠覆性的制造技术。该技术通过控制局部区域的显微组织,可以制造出复杂的结构和特殊性能的制品。在增材制造过程中面临的最大挑战就是控制或者说预防柱状晶组织的形成。但比较遗憾的是,柱状晶的形成在增材制造过程中是易于形成的显微组织。为此,本文阐述了控制显微组织的控制机理以及如何通过光斑时空整形技术来控制和促进等轴晶的生成。要实现这一目标,需要精确的控制热流分布。热流分布的准确获得要靠先进的热预测管理技术才能实现。这一技术耦合了全激光光斑追踪技术、超快熔体的流体动力学技术和晶胞形核的自发形成控制技术等技术。我们研究了柱状晶向等轴晶的转变,这一研究基于粉末床激光3D打印316L来进行演示。实验时采用单道来研究的。激光光斑采用了高斯圆形和椭圆形(横轴和纵轴都进行了实验)光斑。我们发现等轴晶的形核倾向同光斑宽度密切相关。而且,我们还揭示了在瞬态条件下(激光扫描开始和激光扫描结束时)显微组织的演变机理。柱状晶在激光开始发生作用时很难避免。我们认为这一发现对于理解局部区域激光光斑变化对显微组织的控制以及将来如何设计复杂的光斑形状和光束整形调制具有十分重要的意义。
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△论文全文概况示意图

增材制造(俗称3D打印),是一种通过层层堆积形成三维物体的一种变革性制造技术。该技术可以制造出传统制造技术不能或者很难或者容易制造但成本高昂的三维实体和定制化的产品。粉末床式激光3D打印是最为常见的打印技术。但打印时面临的一个最大的问题就是如何控制显微组织以形成特定需求目标的特定组织和特殊性能。更为重要的就是理解和控制打印产品的显微组织,从而获得采用传统工艺不可能获得的特定组织和特定的服役性能。
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△粉末床激光单道打印316L时晶粒的演变

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△在熔化区域形核时晶粒在空间分布时的强度数

显微组织的特定特征,主要是指晶粒尺寸、凝固形貌(平面晶、胞状晶、枝晶、等轴晶等)以及晶体结构(如BCC、FCC、hcp)显著的影响着制品的机械性能,如强度和塑性等。柱状晶和等轴晶是在增材制造铁基、镍基和钛合金时最易生成的组织。柱状晶较粗大而等轴晶较为细小。粗大的柱状晶可以用来提高制品的抗蠕变性能或用来制造需要满足特定性能所需要的织构和各向异性材料。另外一方面,除了Hall-Petch关系式的作用之外,等轴晶可用来提高表面的抗疲劳能力和发生断裂裂纹的阻力。因此,工程上所需要的特定性能可以通过控制柱状晶和等轴晶的比例来实现。控制的手段就是让激光能量在时间和空间上合理的分布来控制热流分布,使得热温度梯度和凝固速率在我们预设的范围内。特定晶粒的生成可通过合理控制工艺参数而获得特定的凝固参数。
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△时间为23毫秒时优先形核时空间分布的分析

众所周知,已经有很多研究者研究过通过改变激光扫描策略而实现了不同的凝固组织。除了激光扫描策略会对凝固组织产生影响之外,激光光斑在空间-时间上的强度调制也对形成特定的显微组织,进而获得特定的服役性能密切相关。本文的研究正是基于这一原理而开展的。
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△激光光斑变化时激光熔池的变化

论文链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645419307931

论文文献信息:Microstructural control in metal laser powder bed fusion additive manufacturing using laser beam shaping strategy,Acta Materialia,Volume 184, 1 February 2020, Pages 284-305,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.053

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