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文章
在铝基材料激光3D打印过程中，增材多层特征对热力学、应力和微观结构发展的影响
Donghua,Dongdong Gu，Reinhart Poprawe,Mujian xia
PII：S2095-9273（17）30247-5
DOI： http://dx.doi.org/10.1016/j.scib.2017.05.007
型号： SCIB 134
出现在：科学公报
收到日期：2017年1月11日
修订日期：2017年4月1日
受理日期：2017年5月2日
请引用本文如下：戴博士，顾博士，R.Poprawe，M.Xia，在铝基材料激光3D打印过程中，增增多层特征对热力学、应力和微观结构发展的影响，《科学公报》（2017年），doi：http://dx.doi.org/10.1016/j.scib.2017.05.007
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2017年1月11日收到
2017年4月1日修订表收到
2017年5月2日接受
在铝基材料激光3D打印过程中，增材多层特征对热力学、应力和微观结构发展的影响
Donghua Dai 1,2, Dongdong Gu 1,2,*, Reinhart Poprawe 3, Mujian Xia1,2
1南京航空航天大学材料科技学院，南京210016，中国
2南京航空航天大学增材制造（3D打印），南京210016，中国
3弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT/激光技术讲座 LLT， RWTH Aachen， 施泰因巴赫斯特拉什 15， D-52074 Aachen， 德国
*对应作者。 电子邮件地址：dongdonggu@nuaa.edu.cn
摘要
提出了一种瞬态三维模型，用于描述AlN/AlSi10Mg复合材料选择性激光熔化过程中的温度行为、热毛细管对流、微观结构演化以及由此产生的机械性能。考虑粉末固体转化、温度相关的物理特性和热量的保存。研究了增材制造多层特征对熔融池动力学、冷却速率、晶体尺寸、微观结构形态、微硬度和残余应力类型的影响。结果表明，熔融池内的工作温度和热毛细管对流通常随着加工而增加。
连续添加多层，同时减小热效应深度。热扩散的优向通常从向下模式变为稍微加强的水平方向，最后为处理各种沉积层的典型水平方向。因此，沿建筑方向（区域 I 至区域 V）的凝固部分的微观结构经历了一个有趣的转变：定向柱细胞微结构、横向延伸的细胞微观结构、精制的细胞微观结构、破碎微观结构和粗细胞微观结构。拉伸应力和压缩应力在最终凝固层内得到全面获得，显著影响微硬度。
关键词 增材制造、选择性激光熔炼、热力学行为、微结构演化、残余应力
1 简介
AlSi10Mg 合金具有重量轻、热膨胀低和出色的机械性能，在航空航天、汽车行业和热交换器部件的许多应用中都要求很高。结果表明，硅的形态和尺寸对确定机械性能具有十分重要的意义[1]。AlN由于具有优异的导热性、非反应性与正常熔体和低热膨胀系数的结合，接近硅，在军用航空和运输领域得到了广泛的应用，它证明了AlSi10Mg合金[2]成为适当增强颗粒的潜力。一般来说，AlN/AlSi10Mg 复合材料部件是使用铸造过程的冷却速率约为102 K/s，因此，似乎通过传统的铸造工艺对硅的精炼在一定程度上受到限制[3]。冷块熔体旋转是一种用于熔体快速冷却的技术，熔体旋转获得的冷却速率在104-107 K/s [4]然而，它主要用于生产薄金属带或棒材，严重限制了AlN/AlSi10Mg复合材料复杂几何形状的制造。
选择性激光熔化 （SLM） 作为多功能增材制造 （AM）/3D 打印 （3DP） 技术，能够直接从以前沉积的粉末材料中直接生产具有复杂自由形状的金属基体复合材料，由计算机辅助设计 （CAD） 数据 （5-7） 数据逐层控制。由于粉末材料被激光束照射，粉末材料与激光束（激光-散装耦合和粉末-体积耦合）之间的瞬态相互作用，以及初始粉末材料的复杂状态转换（频繁熔化和随后的快速凝固）通常遇到，通常导致形成高温梯度和快速冷却速率[8-10]。因此，SLM工艺与快速凝固和高冷却率相结合，具有改变AlN/AlSi10Mg复合材料微结构的巨大潜力。快速凝固是SLM工艺生产部件所固有的，可望产生精细的微观结构[11]。然而，在应用激光照射区域附近，不均匀的热膨胀和收缩的影响将有助于在成品部分形成残余应力。对凝固微结构的控制对于确定终端机械性能至关重要。SLM 工艺的处理参数对制造部件的微观结构和由此产生的机械性能有重大影响[12]。李等人对溶液和人工老化热处理对SLM加工AlSi10Mg合金部件的微观结构和机械性能的影响进行了系统调查。[13]。研究发现，在成构部件中获得的超细微结构由球形网络高硅识别，促进了显著增强的抗拉性能和微硬度的形成。唐等人[14]使用分析方法（罗森塔尔方程）对SLM过程凝固行为的冷却速率给予了高度关注。作为制造部件的测量单元间距遵循与计算冷却速率的既定关系。但是，热特性取决于分析中使用的温度罗森塔尔方法没有考虑到，凝固热、对流导热和热毛细管对流也被忽视。Parry等人应用了热力学模型，以更好地了解激光扫描策略对SLM中残余应力生成的影响，研究了瞬态热行为与扫描策略相关残余应力形成之间的复杂相互作用。
由于SLM过程的层面性质，对以前凝固层的影响，主要是高效导热性和热积累的转化，对连续扫描的层热行为、微观结构、微硬度和由此产生的残余应力没有彻底研究。利用AlN/AlSi10Mg复合材料的SLM对成建微结构的长度尺度，结合由此产生的Vickers硬度和不同加工层中残余应力的类型，对细胞大小与热行为的典型关系进行了数值预测和合理阐述。讨论了多层处理性质对微观结构演化、后续机械特性和残余应力影响的基本机制。
2 模型描述
2.1 物理模型
图1a中描述了SLM工艺的原理图和SLM过程多层性质对不同处理层内加热和冷却行为的影响。X、Y 和 Z 方向的物理模型的三个尺寸分别为 300、200 和 120 mu;m。本研究中使用的热资源被定义为热通量，激光能量被标识为高斯函数。已建立的物理模型的初始工作温度定义为 300 K。物理模型六个表面的热损失，考虑到热行为的影响和在速度场模式上处理的多层热积累，被合理地确定为辐射和对流模式。对于等于10-3的规范化残渣总和，求得计算的收敛。由于连续迭代之间的能量相对变化低于字段的每个节点的10-6，因此获得解决方案收敛。
2.2 治理方程
本研究中使用的治理方程已被我们以前的研究阐明和使用[1，16]。本节将讨论治理方程中关键物理意义的细节。基于纳维耶-斯托克斯方程的熔化和凝固数学模型在这项工作中得到应用。前一项研究中描述了由质量、动量和能量保护组成的治理方程[17，18]。合理考虑材料状态的连续变化、粉末/熔炼/相位变化/凝固，对温度场的形成和由此产生的热毛细管对流模式起着至关重要的作用。假设粉末颗粒是球体，接触表面没有扁平化，则根据 Dai 和 Shaw [19] 估计粉末系统的有效导热性 alpha;。边界条件下的热扩散行为被定义为对流传热和辐照热损失模式[20]的组合。由于熔融池内的温度梯度和由此产生的热毛细管对流，研究还考虑了表面张力。
2.3 数值模拟
该仿真采用FLUENT商业有限体积方法包进行，模拟多层处理对热行为、热毛细管对流和微结构随从演化的影响。本研究所界定的粉末系统的激光吸收性由物理特性决定，确定AlN和AlSi10Mg材料的体积小数[20]。同时，物理模型中使用了在各个处理层中定义的四个监测点，显示热历史记录和由此产生的凝固行为（图S1在线）。
3 实验程序
3.1 粉末材料
使用了99.7%纯度AlSi10Mg粉末，球形和平均颗粒直径为30mu;m，99.0%纯度AlN粉末接近球形，平均颗粒大小为0.3mu;m。重量比为98：2的AlSi10Mg和AlN粉末材料均质混合在Fritsch Pulverisette 6行星球磨机中，其球状粉末重量比为4：1，主盘的旋转速度为180 r/min，铣削时间为4小时。可以看出，纳米AlN粉末颗粒显示在微AlSi10Mg粉末表面的要素卫星中。图 S1b（在线）描述了混合粉末的形态。
3.2 处理和表征
SLM设备是自主研发的，主要含有最大激光功率500W、光点尺寸为plusmn;70mu;m、波长为1，070plusmn;10nm的YLR-500Ytterbium光纤激光器、自动粉末沉积装置、惰性气保护系统和过程控制系统。处理参数设置为常量，描述如下：激光功率 （P） = 200 W，层厚度 （l）= 30 mu;m，扫描速度 （v） = 100 mm/s 和阴影间距 （h）= 80 mu;m。在SLM工艺后，通过标准金属学技术切割、研磨和抛光试样的横截面。使用负载为 50 g 且缩进时间为 10 s 的 HXS-1000A 微硬度测试仪对各个层进行了硬度测试。 金属检验的样品按照标准程序制备，然后用构成HF（2 mL）、HCl（3 mL）、HNO3（5 mL）和蒸馏水（190 mL）的溶液蚀刻，用于10 s的高量观测。使用广塔FEG 250场发射扫描电子显微镜（FESEM），获得了SLM加工的样品的微观结构和缩进形态。配备布鲁克XFlash 6160能量分散X射线光谱仪（EDS）的蔡司西格玛04-95 FESEM检测到微观结构的高放大倍率。
4 结果和讨论
4.1 温度和热毛细对流
图中描述了不同层内AlN/AlSi10Mg粉末材料在SLM过程中在计算域中获得的温度轮廓和速度矢量。S2（在线）。由于沉积在金属基板上的第一层粉末层被激光束照射，激光束的热量似乎均匀地消散到熔融池附近的区域。熔融池内的最大工作温度为 1080 K，最小工作温度为 900K，大于 AlSi10Mg （867 K） 的熔融温度，这确保了基板和人造层之间形成良好的冶金粘接能力（图S2a 在线）。顶面显示的热毛细管对流明显较弱，具有均匀的对流速度，从中心部分到熔融池边缘，径向向模式范围一致。由于粉末材料的导热性有限，以及输送到辐照区域的足够激光能量，散热受到显著限制，导致低温梯度的形成和随之而来的有限表面张力，从而大大降低了熔体流的强度。处理第二层时，加工层中的最高温度和最低温度分别为 1160 K 和 940 K，分别高于前一层中产生的温度（图S2a 在线）。可以发现，由于激光功率有效地渗透到下层，工作温度高于AlSi10Mg材料的熔化温度（图S2b 在线），因此通常会产生以前凝固层的完整再熔过程。同时，有趣的是，热毛细管对流的强度梯度显然是在中心速度较高和熔融池边缘附近产生的下部（图S2b 在线）。可以合理地归因于一个事实，即从先前处理的层的热量积累和固体部分的有效导热性通常产生。对于正在处理的第三层，熔融池的长度和宽度会随着增强的最大工作温度为 1，240 K，最低降至 900 K（图S3c 在线）。速度矢量有均匀分布在径向模式的倾向。以前凝固层对热行为和熔体对流行为的主要影响可以得出如下结论：在辐照区域的中心部分，由于热积累而产生更高的工作温度，而熔融池边缘附近，由于凝固部分的高效导热性，因此产生来自中心区域的热能量损失率高，从而形成低温，使温度减小。熔融池（图S2c 在线）。对于正在处理的第四层，显然已经获得了熔融池的增强尺寸，最高和最低工作温度高达 1350 K 和 950 K（图S2d在线），分别引起以前凝固多层的保温。同时，由于快速热损失和由此产生的高表面张力梯度（图S2d 在线），在熔融池边缘生成明显的水平速度向量，获得了显著严重的速度场。
4.2 热转换行为和热效应深度
由于 SLM 工艺中使用的高斯激光束与粉末床相互作用，它通过粉末层进行多重反射。因此，实际热效应深度是 SLM 过程中的一个有意义的问题。为了进一步了解添加剂特征对激光能量热效应深度的影响，在SLM过程中，描绘了沿建筑方向的温度场以及热毛细管对流、温度轮廓和熔融池横截面内的速度矢量在图S3（在线）。显然，激光束的热效应深度对随着温度场各种模式的形成而加入凝固层很敏感（图S3 在线）。由于第一层被辐照，热效应深度通常大于粉末层厚度，这意味着初始粉末材料完全熔化（图S3a 在线）。速度的最高强度明显出现在熔融池的底部，速度为plusmn;1.0 m/s，而自由表面附近的熔体对流相对较弱，值为0.3 m/s（图S3a 在线）。工作温度的等温线通常与建筑方向平行，表明由于与基板的直接连接，热过渡的典型首选方向是合理的。因此，该加工层的微观结构具有沿大热梯度沉淀的极动性。对于正在处理的第二层，先前凝固的层明显被重新熔化，产生激光能量的有效热效应深度（图S3b 在线）。同时，熔融池内的等温线似乎趋向于从垂直型向水平伸长型转变，熔融池中心附近的熔体流随着向外模式的形成而明显增强。因此，可以合理地得出结论，在熔体对流和以前处理层的热积累的综合作用下，水平热扩散往往略有增强。当第三层被处理时，温度轮廓以典型的半椭圆模式描述，并且先前加工的层被重新熔化，确保良好的冶金粘接能力。随着熔融池宽度的显著增强和热影响区域的扩大，沿水平方向的热扩散得到显著提升（图S3c 在线）。双涡旋对称地定位，增强速度为plusmn;1 m/s。对于
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