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长三角G60激光联盟导读
据悉 ， 本文通过镍基高温合金IN718的原位和操作同步加速器X射线成像和衍射研究揭示了定向能量沉积增材制造（DED-AM）的控制机理行为 。
摘要
通过镍基高温合金IN718的原位和操作同步加速器X射线成像和衍射研究揭示了定向能量沉积增材制造（DED-AM）的控制机理行为 。 使用独特的DED-AM工艺复制器 ， 真实空间成像可以量化凝固过程中的熔池边界和流动动力学 。 这种成像知识还用于在100μm的空间分辨率下 ， 在转变和应力发展过程中对时间分辨的微观结构相进行精确的衍射测量 。 衍射量化的热梯度能够预测树枝状凝固微观结构并将其耦合到应力状态 。 快速冷却速度完全抑制了二次相的形成或固态的再结晶 。 凝固后 ， 应力在冷却过程中迅速增加到屈服强度 。 这一见解与IN718的大凝固范围相结合 ， 表明累积的塑性耗尽了合金的延展性 ， 导致液化开裂 。 这项研究揭示了在DED-AM期间控制高度非平衡微观结构形成的机制 。
1介绍
激光增材制造（LAM）是一种高度通用且灵活的制造技术 ， 可以逐层制造复杂的几何形状 。 它正在改变现代制造业 ， 特别是在冶金行业 。 定向能量沉积增材制造（DED-AM）通过喷嘴沉积粉末或线材原料并用激光熔化 ， 是最具成本效益和通用的LAM方法之一 ， 因为它能够生产大型近净形状的自由形状组件 。 DED-AM还用于修复航空航天 ， 生物医学和汽车行业中的高价值部件 。 然而 ， DED-AM过程中的快速凝固导致了一些技术挑战 ， 包括产生显着的残余应力和形成不良的微观结构特征 ， 如孔隙、裂纹或大的外延颗粒 。 这目前限制了DED-AM在生产安全关键部件方面的广泛工业应用 。 为了克服这些限制 ， 需要对制造过程中的基本瞬态物理场有更深入的了解 。
增材制造的四个M（4M）：材料 ， 制造 ， 计量和市场 。
增材制造与传统的形成性或减材制造有着根本的不同 ， 因为它最接近“自下而上”的制造 ， 我们可以使用“逐层”方法将结构构建成其设计的形状 。 这种逐层制造在制造复杂、复合材料和混合结构方面具有前所未有的自由度 ， 其精度和控制力是传统制造路线无法实现的 。 一个很好的例子可以是骨组织工程支架 ， 其目的是在体内提供组织支持 ， 同时模仿骨的多孔和可渗透的分层结构 。 复制骨支架的传统方法已被证明难以模拟互连的多孔网络结构 ， 但是使用X射线微型计算机断层扫描（X射线μCT）图像与计算机辅助设计（CAD）相结合可以创建可以使用AM可靠地处理的设计文件
LAM的原位和操作高速X射线研究已被证明在揭示以前看不见的瞬态激光诱导现象方面取得了巨大成功 ， 包括熔池动力学 ， 微观结构特征形成和相演变 。 同步加速器X射线成像已被证明可以有效地捕获激光 - 物质相互作用和激光粉末床融合（LPBF）中的基础物理 。 然而 ， 对DED-AM的同步加速器成像的关注要少得多 。 工业DED-AM沉积物的较大长度尺度导致X射线透射率低 ， 使X射线研究具有挑战性 。 尽管如此 ， 仍然非常需要量化和理解具有高空间和时间分辨率的光学不透明金属样品 。 高通量、高能量的第三代同步辐射源使快速（毫秒到微秒）X射线成像和激光-物质相互作用的衍射成为可能 。
本研究中研究的材料是镍基高温合金IN718 。 它具有优异的高温性能和耐腐蚀性 ， 广泛应用于航空航天、船舶和发电燃气轮机中的涡轮盘等安全关键部件 。 IN718也是LAM常用的高温合金 。 然而 ， LAM引入了高热应力 ， 这源于IN718的高弹性模量和热膨胀系数 。 添加Ti或Nb在晶界和/或树枝状区域形成共晶化合物和元素偏析增加了热裂变敏感性 。 因此 ， 使用LAM可能很难生成无裂纹组件 。
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