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激光粉末床聚变：技术、材料、性能和缺陷以及数值模拟的最新综述（4）( 二 )


据指出 ， 马氏体分解是平衡强度和延展性的因素 。 随着温度的升高 ， 延性提高 ， 而屈服强度和极限强度降低 。 但在Al-Cu-Mg的情况下 ， 随着热处理温度的升高 ， 微观结构变得更粗糙 。 在这种情况下 ， 极限抗拉强度、屈服强度和伸长率似乎在温度下增长 。 如果温度进一步升高 ， 则拉伸强度降低 。 这是因为颗粒的分布和尺寸不再有助于强化晶粒 ， 因为淬火后的饱和度较低 。
5.1.1.2.传导和锁孔状态
高功率受控激光束用于LPBF增材金属制造 。 熔池的深度通常由其下方固体物质中的热传导控制 。 然而 ， 在某些情况下 ， 熔化机制可以从传导转变为“小孔模式”激光熔化 。 在此阶段 ， 金属的蒸发控制熔池的液位 。 在小孔模式激光熔化中的熔池深度可以比在传导模式中看到的熔池深得多 。 此外 ， 金属蒸发产生的蒸汽腔塌陷可能会在激光束后留下一系列空隙 。
对于LPBF ， 发现主要的工艺制度 ， 如小孔和传导模式熔化 ， 是线能量和强度的函数 。 纵横比直接取决于这两个复合变量；因此 ， 所得熔池的形状随时间变化 。 Gargalis等人使用直接微量热法研究了LPBS中纯铜的加工行为 。 他们报告说 ， 在LPBF环境中与激光束相互作用时 ， 小孔熔化制度和加热、熔化、沸腾和蒸汽形成行为的演变对于可预测和可重复的铜沉积至关重要 。
图24描绘了在540W的最大激光功率下随着扫描速度的增加裸铜表面的熔池演变 。 白色箭头表示氧化物 。 在对样品进行横截面和抛光后 ， 发现了氧化物颗粒 ， 这表明在金相制备过程中形成了氧化物 。 熔池的形成被证明是高度不稳定的 ， 当处于锁孔状态时 ， 吸收率值的显著波动触发了爆炸行为 。 Chen等人报告说 ， 使用非原位样品表征和计算热流体动力学（CtFD）建模来探索作为传导、过渡和小孔区域中预热温度的函数的熔池形状修改 ， 以及图25、26、27和28所示的每个区域中的潜在机制 。 在500°C下 ， 实验熔池深度在传导区增加49% ， 在过渡区增加34% ， 在小孔区增加33% 。 相反 ， 每个区域中熔池宽度的变化并不都呈增加趋势 ， 而是取决于熔池区域 。 根据经证实的CtFD模拟 ， 较高的预热温度增加了小孔区域的蒸发质量、反冲压力和激光钻孔效应 ， 导致更深的熔池 。 由于较高的流速和强烈的反冲压力加速了反向流动 ， 模拟表明 ， 提高熔体轨迹温度显著延长了熔体轨迹长度 。

图24 背散射模式下的SEM图像 ， 显示了随着扫描速度的增加 ， 在裸铜衬底从传导到键孔的过渡区域中 ， 540W激光功率的深熔池的演变；从图a）到e） ， 扫描速度以100mm/s的间隔增加 ， 白色虚线显示熔池边界；注意最后一张显微照片中的刻度大小差异 。

图25 导电状态下熔池形态随预热温度的变化 。

图26 传导状态下熔池尺寸与预热温度的关系（P=250 W ， V=1.5 m/s）：（a）深度、（b）宽度、（c）纵横比 ， 以及（d）100°c、（e）300°c和（f）500°c预热温度下实验和模拟熔池的比较 。

图27 锁孔状态下熔池形态随预热温度的变化 。

图28 锁孔状态下熔池尺寸与预热温度的关系（P=250W ， V=0.5m/s）：（a）深度、（b）宽度、（c）纵横比以及（d）100°c、（e）300°c和（f）500°c预热温度下实验和模拟熔池的比较 。
5.1.1.3.停留时间
停留时间只是热处理过程中样品保持在最高温度的时间段 。 Plaza等人研究了热处理对Ti64微观结构的影响 。 对具有不同停留时间的若干样品进行热处理（退火）；炉将其冷却至760℃ ， 然后对其进行空气冷却 。 通过比较在相同温度下但不同停留时间下退火的样品 ， 发现停留时间越长 ， 晶粒越细 ， 延展性越高 。 Vracken等人也证实了类似的结果 。 图29显示了两个在940℃下热处理20小时的样品 。 图像显示了α晶粒的有限生长 ， 但它逐渐转变为等轴晶粒 ， 如箭头所示（图29 b） 。 在AlSi12的另一种情况下 ， 与传统方法（如铸造）相比 ， 更长的停留时间为LPBF制造的零件提供了更好的结果 。

图29 940℃下（a）2小时和（b）20小时热处理钛合金的微观结构 。
5.1.1.3.冷却速率
LPBF非常适用于用金属粉末制造零件 ， 热循环 ， 特别是冷却速率 ， 在控制微观结构行为方面起着巨大作用 。 冷却速率决定了金属零件中的晶粒尺寸偏析 。 但更快的冷却速率会限制该过程中的特定物理 ， 从而导致热力学不稳定相 。 由于微观结构由冷却速率监控 ， 我们可以说零件的性能也由其监控 。 因此 ， 必须在参数和冷却速率之间建立牢固的关系 ， 以开发具有良好性能的特征 。 据指出 ， 仅研究能量输入不足以理解冷却速率对金属粉末的影响 。 体积能量密度不能预测熔池的准确行为 。

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