在沉积在Al 7475衬底上的Al-11.28 Si的DED-L制成的样品的纵向平面上显示了竞争性增长 。
除了上述扫描策略外 ， 空间和时间激光束强度调制还可以为特定位置的晶粒结构控制提供额外的自由度 。 激光束强度分布（即光束形状）可以使用简单的光学器件进行局部定制 ， 例如变形棱镜对和用于微结构控制的双光束偏振复用器 。
随着最近在电子束和激光增材制造方面所做的努力 ， 定制微结构的先验参数选择的最终目标就在眼前 。 特定部位的微观结构控制具有许多实际应用 ， 例如通过在表面或应力集中特征上施加刻意纹理来提高零件的疲劳寿命 ， 或者制造具有功能分级机械性能的部件 。 2014年 ， K?rner等人研究了铬镍铁合金拉伸样品中每十层不同的“交叉蛇”扫描模式与每一层的影响 。 作者发现 ， 当凝固主要发生在建筑方向时 ， 会形成柱状晶粒 ， 而当凝固方向变化频繁时 ， 会形成等轴晶粒 。 2015 年 ， Dehoff 等人通过在铬镍铁合金 718 块中开发被柱状颗粒包围的高度定向等轴晶粒来证明局部微观结构控制 。 研究人员在点热源和线热源之间快速切换 ， 以操纵局部热梯度和固/液（s/l）界面速度 。 在激光增材制造中 ， 通过使用多个激光源和不同的扫描策略 ， 通过改变高达1000 W的激光功率[3
， 也证明了一些微观结构控制 。
（a） C-S、（b） LE-S 和（c） TE-S 轮廓形成的熔体轨迹形成的纵向横截面视图 ， 其中激光扫描在正 x 方向上进行 。
本工作的目的是阐明通过激光束整形控制关键凝固微观结构特征的主要物理机制 ， 例如形态（例如 ， 等轴与柱状）、尺寸和晶体学纹理 。 由于L-PBF是一个高度瞬态和局部的过程 ， 具有多种复杂的物理效应（即熔池中的剧烈流体流动 ， 蒸发 ， 快速凝固和热循环等） ， 这些影响结合在一起提供了一个具有挑战性的优化问题 ， 因此仍然难以准确捕获动态演变凝固微观结构 ， 并通过实验试错将所得微观结构特征与加工参数相关联 。 我们的方法是使用与元胞自动机（CA）耦合的高保真粉末尺度模型进行成核和晶粒生长 。 该模型采用激光光线追踪来描述沿动态演变的熔池表面的激光-材料相互作用 ， 并模拟任何光束形状的精确热剖面（图1（a）-（b）） 。
图 1 研究激光束强度分布（即光束形状）对316 L不锈钢单轨激光粉末床熔融AM过程中形成的凝固晶粒结构影响的集成建模框架示意图 。
2.建模框架
2.1.ALE3D模拟瞬态温度场和熔池几何形状
通过求解质量、动量和能量守恒方程 ， 得到了SS-316 L单轨L-PBF过程中的三维瞬态温度场和熔池动力学 。 这是通过使用ALE3D代码来实现的 ， ALE3D代码是劳伦斯利弗莫尔国家实验室利用任意拉格朗日-欧拉技术开发的多物理场数值软件工具 。 该代码使用混合有限元（FE）和非结构化网格上的有限体积公式处理 3D 模型 。
增量物理保真度 ， 显著改变传热、熔池深度和流量 。 红色伪彩色对应于上限为4000K的温度标度 ， 蓝色为293K 。 红色等高线是熔线 。 粉末颗粒被向右移动（速度 1 m/s）的激光（功率 150 W）照射 10 μs 。 熔体轨迹是3D模拟的2D切片（激光功率为200 W ， 扫描速度为1.5 m / s） ， 展示了改进的物理建模对熔池的影响 。
2.2.凝固晶粒结构的元胞自动机（CA）模拟
CA方法使用简化的成核和生长动力学定律模拟每个树枝晶粒的外部包膜的发育 ， 而不是模拟树枝状图案的复杂发展（例如 ， 树枝状树干和臂的网络） 。 面心立方晶体的凝固采用树枝状生长形态 ， 其树干和臂沿<100>晶体方向排列 。 因此 ， 树枝状颗粒的外部包络可以用3D八面体（2D中的正方形）表示 ， 其主要半对角线由<100>方向定义 ， 其中心位于CA单元的中心 。
使用DREAM.3D和实验测量将初始底物晶粒结构馈送到CA模型 。 我们首先使用EBSD表征表征了基材中的晶粒结构 ， 包括晶粒尺寸及其分布和晶体学纹理（见图2） 。 这组微观结构统计量作为DREAM的输入 。 3D在基材中生成统计上等效的合成晶粒结构 。 如图3所示 ， 微观结构统计数据得到了很好的再现 。 （有关使用 DREAM.3D 生成晶粒结构的详细信息 ， 请参阅补充材料） 。
图 2 实验测量316 L不锈钢样品基底中的晶粒结构 。
图 3 使用 DREAM.3D 生成的基材中统计等效的晶粒结构 。
3.结果
我们研究了在316L-SS的单激光轨迹L-PBF工艺中凝固晶粒结构的发展 ， 以确定形成的晶粒结构的关键特征及其对激光束形状的依赖性 。 考虑的激光功率和扫描速度分别为 300 W 和 1.8 m/s 。 凝固的晶粒可以有两种不同的形态 ， 即大柱状晶粒和细等轴晶粒 。 前者是由于母体晶粒在熔池边界处的外延生长 ， 而后者是柱状晶粒之前液体中新成核的晶粒 。 我们的方法是研究所得的凝固晶粒结构对有核和无成核的激光束形状的依赖性 。
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