近幾十年來,形狀復(fù)雜零件的增材制造得到了大力發(fā)展。然而,盡管增材制造工藝多種多樣,包括選擇性激光熔化(SLM)、直接激光金屬沉積、電子束熔化和其他,但制造出的零件可能都包含有缺陷。這主要是與高熱梯度、高冷卻速率相關(guān)熔池凝固過程的特定特征,以及熔化和再熔化材料中加熱循環(huán)的復(fù)雜性相關(guān),從而導(dǎo)致外延晶粒生長和顯著的孔隙率。
結(jié)果表明,有必要控制熱梯度、冷卻速率和合金成分,或通過各種性質(zhì)的外部場(例如超聲波)施加額外的物理影響,以實現(xiàn)精細(xì)的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。
圖 1:實驗裝置的功能示意圖(1. 激光;2. 激光束;3. 中性密度濾光片;4. 同步光電二極管;5. 分束板;6. 隔膜;7. 入射光束的熱
量計;8. 反射光束的熱量計;9. 入射光束功率計;10. 反射光束功率計;11. 聚焦透鏡;12. 鏡子;13. 樣品;14. 寬帶壓電換能器;
15.2D 轉(zhuǎn)換器;16. 定位微控制器;17. 同步單元;18. 多種采樣率的多通道數(shù)字采集系統(tǒng);19. 電腦
激光超聲波及其基本原理
激光輻射入射到介質(zhì)上的熱效應(yīng)是幾乎所有用于材料加工的激光技術(shù)基礎(chǔ),例如切割、焊接、硬化、鉆孔、表面清潔、表面合金化、表面拋光等。值得注意的是,對介質(zhì)的任何非平穩(wěn)作用包括對吸收介質(zhì)的激光作用,都會導(dǎo)致聲波在介質(zhì)中以更高或更低的效率激發(fā)。
起初,研究人員將關(guān)注點主要集中在液體中波的激光激發(fā)和聲音的各種熱激發(fā)機制(熱膨脹、蒸發(fā)、相變期間的體積變化、收縮等)。在此前的研究中,激光激發(fā)超聲波在工業(yè)和醫(yī)學(xué)中得到了實際應(yīng)用,激光超聲波檢測被用于SLM制造中的缺陷檢測。
激光產(chǎn)生的沖擊波對材料的影響是激光沖擊強化噴丸的基礎(chǔ),這種技術(shù)當(dāng)前用于增材制造零件的表面處理。然而,激光沖擊噴丸在與納秒激光脈沖使用時并對機械負(fù)載表面(例如具有液體層)最有效,因為機械負(fù)載會增加峰值壓力。
實驗裝置
研究人員通過實驗研究各種物理場對凝固材料微觀結(jié)構(gòu)的可能影響。實驗裝置功能圖如圖1所示。研究團(tuán)隊使用的是自由運行模式運行的脈沖Nd:YAG固態(tài)激光器(脈沖持續(xù)時間τL~150μs)。每個激光脈沖都通過一系列中性密度濾光片和分束板系統(tǒng)。目標(biāo)上的脈沖能量從EL~20mJ 到EL~100mJ ,并取決于中性密度濾光片的組合。
從分束板反射的激光束被送入光電二極管,用于同步數(shù)據(jù)采集,兩個熱量計(長響應(yīng)時間超過1ms的光電二極管)用于確定入射在目標(biāo)上并從目標(biāo)反射的光能,以及兩個功率計(響應(yīng)時間短的光電二極管,小于10納秒)用于確定入射和反射光功率。
熱量計和功率計使用熱電堆探測器Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0和安裝在樣品位置的介電鏡進(jìn)行校準(zhǔn),以給出絕對單位的值。使用透鏡將光束聚焦在目標(biāo)物上(抗反射涂層在1.06μm,焦距160mm),目標(biāo)表面為60–100μm。
圖 2:樣品背面的激光脈沖強度 (a) 和聲速 (b) 的時間分布,單個
激光脈沖的激光脈沖 (c) 和超聲波脈沖 (d) 的光譜(藍(lán)色曲線)平
均超過 300 個激光脈沖(紅色曲線)
超聲波處理如下進(jìn)行。激光器以自由運行模式運行,所以激光脈沖的持續(xù)時間為τL~150μs,由許多較短脈沖組成,每個脈沖的持續(xù)時間約為1.5μs。激光脈沖的時間形狀及其光譜由低頻包絡(luò)和高頻調(diào)制組成,平均頻率約為0.7Hz,如圖2所示 。
低頻包絡(luò)提供加熱以及隨后材料的熔化和蒸發(fā),而高頻調(diào)制提供由光聲效應(yīng)產(chǎn)生的超聲波振動。激光產(chǎn)生的超聲波脈沖波形主要由激光脈沖強度的時間形狀決定,它在頻率從7kHz ~2MHz的范圍內(nèi)提供樣品的寬帶超聲處理,中心頻率為0.7Hz。使用由聚偏二氟乙烯薄膜制成的寬帶壓電換能器記錄了由光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲脈沖。記錄的波形及其頻譜如圖2所示。
可以清楚地區(qū)分與激光脈沖的低頻包絡(luò)和高頻調(diào)制相對應(yīng)的聲學(xué)處理的低頻和高頻調(diào)制。激光脈沖包絡(luò)產(chǎn)生的聲波波長超過40cm。因此,對微觀結(jié)構(gòu)的主要影響預(yù)計來自聲信號的寬帶高頻成分。
熱載荷和變形載荷的宏觀模擬
SLM的物理過程很復(fù)雜,并且在不同的空間和時間尺度上同時發(fā)生。因此,多尺度方法最適用于SLM 理論分析。數(shù)學(xué)模型最初應(yīng)該是多物理的。然后可以有效地描述與惰性氣體氣氛相互作用的多相介質(zhì)“固相-液相熔體”的力學(xué)和熱物理。SLM中材料熱負(fù)荷的特點如下。
加熱和冷卻速率高達(dá)106K/s,由于局部激光照射,功率密度高達(dá)1013W/cm2;熱影響區(qū)的大小與有效光束直徑相關(guān);由于基板升溫,需要在單獨掃描之間選擇適當(dāng)?shù)难舆t時間;熔化-凝固周期持續(xù)1ms~10ms,這有利于冷卻過程中熔融區(qū)的快速凝固。
樣品表面的快速加熱導(dǎo)致在表面層中形成高熱彈性應(yīng)力。高達(dá)20%的粉末層被強烈蒸發(fā),從而在表面上產(chǎn)生額外的壓力負(fù)載,以響應(yīng)激光燒蝕。因此,引起的應(yīng)變顯著扭曲了零件的幾何形狀,尤其是在支撐和薄結(jié)構(gòu)元件附近。脈沖激光退火中的高加熱速率導(dǎo)致從表面產(chǎn)生的超聲波應(yīng)變波傳播到基板。為了獲得有關(guān)局部應(yīng)力和應(yīng)變分布的準(zhǔn)確定量數(shù)據(jù),研究人員對與傳熱傳質(zhì)耦合的彈性變形問題進(jìn)行了細(xì)觀模擬。
該模型的控制方程包括穩(wěn)態(tài)傳熱方程,導(dǎo)熱系數(shù)取決于相狀態(tài)(粉末、熔體、多晶體)和溫度,燒蝕和熱彈性膨脹后連續(xù)介質(zhì)彈性變形的波動方程。邊界值問題由實驗條件確定。定義了在樣品表面調(diào)制的激光通量。質(zhì)量通量是基于蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓的計算來定義的。在熱彈性應(yīng)力與溫度差成正比的情況下,使用了彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。對標(biāo)稱功率為300W,頻率105Hz的脈沖激光器參數(shù)進(jìn)行了模擬,間歇系數(shù)為100,有效光束直徑為200μm。
使用宏觀數(shù)學(xué)模型對熔融區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果如圖3所示。熔融區(qū)的直徑為200μm,深度為4μm。模擬結(jié)果表明,由于脈沖調(diào)制的高間歇性因素,表面溫度隨時間變化了100K。加熱速率(Vh)和冷卻速率(VC)分別是107和106 K/s。這些值與之前的分析一致。
圖 3:在 316L 樣品板上進(jìn)行單次激光脈沖退火的熔融區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果。從 180μs 開始,熔池深度
達(dá)到最大值。等溫線 T=TL=1723K 表示液相和固相之間的邊界。等壓線(黃線)對應(yīng)于作為溫度
函數(shù)計算的屈服應(yīng)力。在兩個等值線之間的區(qū)域,固相承受強烈的機械載荷,導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)改變。
Vh和VC一個數(shù)量級的差異導(dǎo)致表面層快速過熱,其中對基板的熱傳導(dǎo)不足以去除熱量。結(jié)果,在t=26μs時表面的溫度峰值高達(dá)4800K。材料的劇烈蒸發(fā)會導(dǎo)致樣品表面承受過大的壓力并剝落。
這種效應(yīng)在圖4(a)中得到進(jìn)一步解釋,其中熔融區(qū)中的壓力水平被繪制為時間和距離表面的函數(shù)。首先,壓力行為與上面圖2中描述的激光脈沖強度的調(diào)制相關(guān)。最大壓力約10MPs(時間大約t=26μs)。其次,控制點的局部壓力波動具有與500kHz頻率相同的振蕩特征。這意味著超聲波壓力波在表面產(chǎn)生,然后傳播到基材中。
圖 4:(a) 在距離表面 0、20μm、40μm 處距離,沿對稱軸計算壓力作為時間的函數(shù);(b) 在距
離樣品表面 70μm、120μm、170μm 處距離,米塞斯應(yīng)力作為固體基底中計算的時間函數(shù)
計算得到的熔融區(qū)附近變形區(qū)的特征如圖4(b)所示。激光燒蝕和熱彈性應(yīng)力產(chǎn)生的彈性變形波傳播到基板中。從圖中可以看出,應(yīng)力的產(chǎn)生有兩個階段。在第一階段t<40μs,米塞斯應(yīng)力(Mises stress)上升到8MPa,其調(diào)制類似于表面壓力。這種應(yīng)力是由于激光燒蝕而發(fā)生的,并且在控制點中沒有觀察到熱彈性應(yīng)力,因為最初的熱影響區(qū)域太小。當(dāng)熱量消散到基材中時,在控制點中形成了高達(dá)40MPa的熱彈性應(yīng)力。
圖 5:子圖 (a、d、g、j) 和 (b、e、h、k)——激光熔化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu),子圖 (c、f、i、l)——有色晶粒的區(qū)域分布。
著色表示用于計算直方圖的顆粒。顏色對應(yīng)于晶粒區(qū)域(參見直方圖頂部的顏色條。子圖 (a-c)對應(yīng)于未經(jīng)處理的不銹鋼,
子圖 (d-f、g-i、j-l ) 分別對應(yīng)于樣品的 1 次、3 次和 5 次重熔。
獲得的調(diào)制應(yīng)力水平對固液界面有重大影響,并可能成為控制凝固路徑的控制機制。變形區(qū)的尺寸超過熔化區(qū)的2到3倍。圖3顯示了熔融等溫線的位置和等于屈服應(yīng)力的應(yīng)力水平。這意味著,脈沖激光照射為局部區(qū)域提供了高機械載荷,有效直徑在300μm~800μm之間,取決于瞬時時間。
因此,脈沖激光退火的復(fù)雜調(diào)制導(dǎo)致了超聲波效應(yīng)。與無超聲加載的SLM相比,其微觀結(jié)構(gòu)選擇途徑不同。不穩(wěn)定變形區(qū)導(dǎo)致固相中的周期性壓縮和拉伸循環(huán)。因此,形成新的晶界和亞晶界將成為可能。因此,可以有意改變微觀結(jié)構(gòu)特征。所得結(jié)論為脈沖調(diào)制誘導(dǎo)超聲驅(qū)動SLM樣機設(shè)計提供了可能性。在這種情況下,就不需要使用其他壓電感應(yīng)器。
結(jié)果與討論
實驗在AISI 321H不銹鋼板上進(jìn)行,尺寸為20×20×5mm3。每當(dāng)一次激光脈沖照射后,實驗基材會移動50μm,目標(biāo)表面的激光束腰約為100μm。沿同一軌道進(jìn)行5次光束通過,促使處理材料重熔,以達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。
圖 6:連續(xù)波激光(300 W 恒定功率,200 mm/s 掃描速度,AISI 321H 不 銹 鋼)
激光熔化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)
在所有情況下,研究人員都對重熔區(qū)進(jìn)行了超聲波處理,這取決于激光輻射的振蕩分量。這導(dǎo)致平均晶粒面積減少了5倍以上。圖5顯示了激光熔化區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)如何隨著重熔循環(huán)(通過)次數(shù)而變化。
由于激光脈沖能量在隨后的光束通過之間沒有變化,所以熔化區(qū)的深度是相同的。因此,隨后的通道完全“覆蓋”了前一個通道。然而,圖5中的直方圖顯示了晶粒面積的平均值和中值隨著通過次數(shù)的增加而減小,這可能表明激光作用于基材而不是熔體。
晶粒細(xì)化可能由熔池的快速冷卻引起。研究人員進(jìn)行了另一組實驗,將不銹鋼板(321H和316L)表面經(jīng)過連續(xù)波激光輻射并暴露于大氣(圖6)和真空(圖7)中。平均激光功率(分別為300W和100W),熔池深度與Nd:YAG激光器在自由運行模式下的實驗結(jié)果接近。
圖 7:(a) 顯微組織和(b) 連續(xù)波激光( 恒功率100 W,掃描速度 200 mm/s,AISI 316L 不銹鋼)
在真空中激光熔化區(qū)的電子背散射衍射圖像~2mbar
實驗表明,激光脈沖強度的復(fù)雜調(diào)制對所得微觀結(jié)構(gòu)具有顯著影響。研究人員認(rèn)為這種影響是機械性質(zhì)的,并且是由于從熔體的輻照表面?zhèn)鞑サ綐悠飞钐幍某暡ㄕ駝拥漠a(chǎn)生而發(fā)生的。
正如在超快原位同步加速器X射線成像中證明的那樣,強烈的超聲可能會導(dǎo)致聲空化。空化氣泡的破裂反過來在熔融材料中產(chǎn)生沖擊波,其前端壓力達(dá)到約100MPa。這種沖擊波的強度可能足以促進(jìn)液體中形成臨界尺寸的固相核,從而破壞增材制造中的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。
圖 8:AISI 316 級奧氏體不銹鋼的屈服應(yīng)力和用于分子力學(xué)模擬的模型
成分與溫度關(guān)系
對此,研究人員提出了另一種通過強超聲進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的機制。剛凝固后的材料處于接近熔點的高溫,具有極低的屈服應(yīng)力。強超聲波可能導(dǎo)致塑性流動改變剛凝固的熱材料晶粒結(jié)構(gòu)。為了驗證假設(shè),研究人員對類似于AISI 316L鋼的Fe-Cr-Ni成分進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬,目的是評估熔點附近的屈服應(yīng)力行為。
為了計算屈服應(yīng)力,研究人員使用了分子動力學(xué)剪切應(yīng)力松弛技術(shù)。對于原子間相互作用計算,使用了嵌入式原子模型,并使用計算機LAMMPS代碼進(jìn)行分子動力學(xué)模擬。作為溫度函數(shù)的屈服應(yīng)力的MD計算結(jié)果與可用的實驗數(shù)據(jù)和其他評估一起呈現(xiàn)在圖8中。
可以看到,當(dāng)溫度超過1500K時屈服應(yīng)力降至40MPa以下。另一方面,估計激光產(chǎn)生的超聲振幅超過40MPa(圖4 b),這足以在剛凝固的熱材料中引起塑性流動。
作者:Ivan A. Ivanov、Vladimir S. Dub、Alexander A. Karabutov等
來源:Scientific Reports
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