通过激光扫描策略获得的定向凝固图谱——用于增材制造不锈钢的工程应用

《Materials Characterization》：Orientation solidification map through laser scan strategy Engineering for additively manufactured stainless steels

本研究采用三维多相有限元模型和跨尺度表征框架，探究不同激光扫描策略（蛇形、条纹、棋盘格）对316L不锈钢激光粉末床熔融过程中晶粒取向和凝固特征的影响。发现蛇形扫描因高冷却速率和温度梯度形成细小均匀晶粒，取向偏向[101]和[111]；条纹和棋盘格扫描因熔池形态差异导致粗大晶粒和[111]取向主导。基于热参数与晶体学取向的关联，建立了扫描策略-凝固特征映射，为工艺优化提供依据。

　　本研究探讨了在不同激光扫描策略下，316L不锈钢（316LSS）在激光粉末床熔融（LPBF）过程中的凝固特征与晶粒取向变化。通过结合三维多相有限元模型与多尺度表征框架，研究人员对三种常见的扫描模式——蛇形、条带形和棋盘形进行了评估，以捕捉其相关的热分布与熔池（MP）动力学。研究发现，尽管所有扫描策略均以传导为主要传热方式，但蛇形和棋盘形模式更容易引发关键孔（keyhole）和过渡熔化（transition melting）模式。热模拟揭示了不同扫描策略下的再熔深度差异：蛇形模式表现出最深的再熔深度（约150微米），而蛇形模式的再熔深度较浅（约50微米），这影响了晶粒的细化程度和形态。晶格取向分析表明，关键孔、过渡熔化和传导熔池之间的相互作用改变了晶粒的优选生长方向。蛇形扫描策略促进了[101]和[111]方向的晶粒生长，而条带形和棋盘形则更倾向于[111]方向。通过将热参数——温度梯度（G）和凝固速率（R）——与局部晶格取向和晶粒结构相关联，建立了一种凝固取向图。该图展示了扫描策略如何通过熔池相互作用控制微观结构特征，为LPBF-316LSS组件的晶粒形态和取向设计提供了一种预测工具。

研究背景指出，随着制造技术的不断发展，特别是增材制造（AM）技术的兴起，工业革命正进入新的阶段。增材制造能够通过逐层沉积材料，从数字模型中生产复杂形状和定制化部件，广泛应用于多个行业。在这些技术中，激光粉末床熔融（LPBF）特别适用于制造复杂几何结构和定制组件。该技术利用高功率激光选择性地熔化细小的粉末颗粒，逐层形成所需结构。由于在小区域内的高能量密度，该过程会导致快速的加热和冷却速率以及多次热循环，从而产生非平衡凝固微观结构，其特点是层次化特征和多样化的晶粒形态及不同的晶格取向。

为了更深入地研究LPBF中的凝固行为，研究者对各种因素进行了广泛分析，包括晶粒生长速率、晶粒取向和纹理控制，以及不同材料的过程-性能图。微结构演变与多个定量工艺参数密切相关，如激光功率、扫描速度、 hatch间距和层厚，这些参数通过改变能量输入来影响熔池形态。此外，扫描策略作为一种定性工艺参数，决定了激光在层扫描中的路径，从而影响体积能量输入、热分布和不同扫描向量之间的再熔程度。以往的研究表明，扫描策略对树枝晶取向、晶粒形态以及柱状-等轴晶转变有显著影响，同时也会对温度分布、热应力、变形和缺陷形成产生影响。例如，Dinda等人在镍基合金中发现，单向激光扫描会促进晶粒以60度角相对于基板生长，而双向扫描则会在每一层中旋转晶粒取向90度。Kirka等人在镍基超合金中观察到，当扫描策略从栅格式变为点式时，晶粒形态从柱状转变为等轴状，这增加了能量密度并减少了温度梯度。

然而，热场的实验监测存在局限性，由于空间和时间分辨率不足，难以捕捉快速冷却速率和陡峭温度梯度。因此，数值模拟成为不可或缺的工具，通过提供详细的热历史和微结构演变信息，补充实验研究。有限元（FE）方法被广泛用于这一目的。Moazzen等人开发了一个数值热模型，以研究工艺参数和扫描策略对LPBF-316LSS微结构特征的影响。他们的研究显示，使用恒定能量输入的蛇形扫描策略能够生成高密度组件，其微结构相较于其他扫描策略更为精细。Parry等人则利用热力学-力学模型证明，单向扫描策略比交替扫描策略减少残余应力，因为它们的热历史不同。Azizi等人结合FE模型和相场模拟，研究了稀释的Al-Si合金在LPBF过程中，建筑方向和温度梯度对微结构演变的影响。

为了弥补实验监测的不足，研究者采用了一种结合数值模拟与实验验证的综合方法。通过先进的数值建模和多尺度表征，开发了一种凝固取向图。一个三维、多层FE模型被用来模拟LPBF过程中的热演化，提供了三种扫描策略（蛇形、条带形和棋盘形）下的熔池几何、温度分布、温度梯度和冷却速率的详细信息。为了进一步关联热历史与晶粒结构，研究人员采用了互补的电子背散射衍射（EBSD）表征方法。这种方法揭示了扫描策略如何影响晶格取向的偏差和晶粒形态，为开发凝固取向图提供了依据。

实验方法部分介绍了LPBF制造策略，使用了原始的气体雾化316LSS粉末（由GE提供），粒径分布范围为15至65微米，平均粒径为21.84±0.76微米。粉末床的构建采用了一个高度均匀且连续的模型，以简化数学公式。假设层收缩可以忽略不计，以确保层厚在激光扫描前后保持恒定。为了确保准确的热物理特性，研究者利用JMatPro软件获取了LPBF-316LSS的温度依赖性参数，包括密度、热导率和比热容。

计算模型的域由一个沉积在固态316LSS基板上的粉末床组成。粉末床的尺寸为2700×2700×250微米3，对应于五层，每层厚度为50微米。在粉末床下方放置了一个2700×2700×900微米3的固态基板。粉末层以分步方式添加，以模拟LPBF过程中的逐层沉积。为了确保准确性和计算效率，研究者使用了高分辨率的DC3D8热传导砖元，其元素尺寸为30×30×10微米3，并采用Δt≈10??秒的时间步长。扫描表面（1500×1500微米2）被精细网格划分，以捕捉陡峭的温度梯度，而周围区域使用较粗的网格以减少计算需求。

为了确保模型的准确性，研究者在蛇形扫描策略下进行了初步的单层模拟，并将其与实验中的横截面扫描电镜（SEM）图像进行比较。模拟的熔池几何形状从扫描路径的中心提取，而实验数据则通过SEM图像进行量化。模拟结果与实验数据表现出高度一致性，验证了模型的可靠性。随后，相同的程序被应用于条带形和棋盘形扫描策略，模拟的熔池轮廓同样与实验结果一致。

研究进一步分析了熔池形态对微结构演变的影响。粗晶粒的尺寸、形态和晶格取向受到再熔和再冷却过程中不同熔池模式的显著影响。这些相互作用可能导致晶粒在熔池边界附近形成热影响区（HAZ）。研究还指出，扫描策略的不同导致了熔池模式的差异，从而影响了晶粒的取向变化。例如，在蛇形扫描策略中，由于熔池的浅层和较高的冷却速率，晶粒取向更接近[101]和[111]。而在条带形和棋盘形策略中，由于熔池的深层和较低的冷却速率，晶粒取向更倾向于[111]。

研究还探讨了熔池相互作用对晶粒特征的影响。不同熔池模式（传导、关键孔和过渡）在不同扫描策略下的表现各异。蛇形策略下的传导熔池由于其连续且高效的激光路径，产生了最陡峭的温度梯度，这有利于形成更细小的晶粒。相比之下，条带形和棋盘形策略由于不连续的扫描路径和频繁的熔池重叠，导致局部热积累，从而影响了晶粒的形态和取向。研究还通过KAM（晶界曲率）图和相关KAM值，展示了不同深度下的晶界曲率变化，表明在更深的层中，晶界曲率有所降低，反映了恢复机制的激活。然而，在棋盘形策略下，较高的KAM值表明局部晶界曲率较高，这与较高的低角度晶界（LAGB）密度一致，表明熔池相互作用增强了局部晶界曲率。

研究进一步揭示了熔池模式对晶粒特征的综合影响。不同的熔池模式（如关键孔和过渡）在扫描策略中的表现差异显著，导致了不同的晶粒形态和取向。蛇形策略由于其高效的熔池相互作用，形成了较小且形态均匀的晶粒，而条带形和棋盘形策略由于更高的熔池重叠和局部热积累，产生了较大的晶粒和更明显的取向偏差。研究还指出，熔池的几何形态决定了温度梯度的方向，进而影响了晶粒的取向和形态。通过建立凝固取向图，研究展示了如何通过扫描策略控制熔池动力学，从而实现晶粒形态和取向的精确设计。

研究结果表明，扫描策略对熔池形态、热历史和晶粒特征具有决定性影响。蛇形策略的高效熔池相互作用和快速冷却速率有助于形成更细小的晶粒，而条带形和棋盘形策略的不连续路径和更高的熔池重叠则导致了更粗大的晶粒和更显著的取向偏差。通过结合热模拟和EBSD表征，研究团队不仅验证了模型的准确性，还深入分析了不同扫描策略对晶粒形态和取向的具体影响，为LPBF工艺参数优化和微观结构控制提供了新的视角和工具。