熔点和质量密度差异较大的难熔金属在定向能量沉积过程中的不均匀性

《Additive Manufacturing》：Inhomogeneities in directed energy deposition of refractory metals with widely different melting temperatures and mass densities

本研究利用激光束定向能量沉积（DED-LB）技术，系统考察了Nb与Ta异质沉积过程中未熔粉末、成分带及界面Rayleigh-Taylor不稳定性等关键问题。结果表明：高熔点金属（Ta）沉积在低熔点基底（Nb）时，存在显著未熔Ta颗粒和成分带，且熔池面积较自熔体系减小35%-40%；优化激光功率（350-1000 J/mm）和扫描速度（5-10 mm/s）可降低未熔颗粒比例，但无法完全消除成分带；异质沉积顺序（Ta→Nb优于Nb→Ta）能显著改善界面形态，且熔池硬度增加6%-32%主要归因于加工硬化效应。

　　在当今制造业中，激光定向能量沉积（Laser Beam Directed Energy Deposition, DED-LB）作为一种用于制造难熔复杂集中合金（Refractory Complex Concentrated Alloys, RCCAs）的方法，正在引起越来越多的关注。这类合金因其高熔点和高热导率，常用于高温承载部件。然而，当熔点和密度差异较大的金属粉末在沉积过程中混合时，可能会产生不均匀性，从而导致局部物理性能的变化。本研究旨在通过系统分析沉积参数对DED-LB熔池中不均匀性的影响，进一步理解这一过程的机理。

在实验中，我们研究了铌（Nb）和钽（Ta）粉末在相同和不同基板上的沉积情况。Ta和Nb的熔点相差550°C，而Ta的密度是Nb的两倍。当Ta粉末沉积在Nb基板上时，可以观察到未熔化的Ta粉末颗粒，这表明沉积过程中未能完全熔化。在熔池中也观察到了不同成分的带状结构，无论是Ta粉末沉积在Nb基板上，还是Nb粉末沉积在Ta基板上，均可见此类现象。在沉积密度较大的Ta粉末在Nb基板上时，熔池界面呈现出混沌的形态，而相反情况下则较为平滑。此外，自熔熔池的晶粒尺寸约为纯基板的10倍，但平均硬度则分别提高了6%和32%。这种硬度的增加被认为是由于加工过程中产生的加工硬化效应。

本研究关注的是在不同材料组合中，沉积参数对熔池中不均匀性的影响。在沉积过程中，如果粉末混合不完全，会导致熔池中出现未熔化的颗粒，这会影响材料的性能。因此，研究者们通过改变激光功率和扫描速度，探讨如何减少未熔化颗粒的存在，同时优化熔池的混合程度。此外，由于Ta和Nb之间的密度差异较大，可能引发雷利-泰勒（Rayleigh-Taylor, RT）不稳定性，这可能导致熔池界面的不规则变化。因此，研究还探讨了这种不稳定性在沉积过程中的表现及其受沉积参数的影响。

在材料和方法部分，研究使用了Trumpf TruLaser Cell 3000 DED-LB系统，配备TruDisk 6001 1030 nm波长的激光器和MultiJet喷嘴。粉末通过3轴龙门系统移动，激光功率最大为6 kW，但由于喷嘴和激光保护镜片的损伤，实际使用功率被限制在5 kW以内。粉末通过氩气（Ar）流进行输送，以确保在低氧环境下进行沉积，这对于难熔金属的氧化敏感性至关重要。为了减少粉末在沉积过程中的氧化，研究设计了一个封闭的打印环境，利用塑料片和Kapton聚酰亚胺胶带进行密封，确保惰性气体流的稳定。

在沉积过程中，研究者们对熔池的面积和特征进行了测量，使用SEM背散射图像，并通过ImageJ软件进行分析。SEM图像显示了高Ta浓度区域，这些区域通过EDS（能量色散X射线光谱）验证为纯Ta。同时，观察到未熔化的Ta粉末颗粒，表现为亮斑，而熔化的Ta粉末颗粒则可能未充分混合。此外，通过热成像技术，研究者们利用双色成像法计算了熔池温度，从而进一步分析熔池的冷却速率和热传递特性。

在结果与讨论部分，研究显示了沉积参数对熔池形态、面积和成分的影响。在相同激光参数下，Ta-Nb和Nb-Ta熔池表现出不同的特征。Ta-Nb熔池的面积较大，但未熔化的Ta粉末颗粒较多，而Nb-Ta熔池的面积较小，但未熔化的Ta粉末颗粒较少。这表明，沉积参数的调整可以有效减少未熔化颗粒的数量。此外，研究还发现，熔池的带状结构主要由元素的分离导致，这与熔池的冷却过程有关。对于Ta-Nb系统，由于密度差异，熔池界面可能出现RT不稳定性，从而形成不规则的熔池结构。

研究还分析了熔池的微观结构和硬度。结果表明，自熔熔池的晶粒尺寸比纯基板大，但硬度与基板相当甚至更高，这主要归因于加工硬化效应。通过分析晶粒尺寸和硬度之间的关系，研究者们发现，加工硬化是硬度提升的主要原因，而非晶粒尺寸变化。此外，熔池的硬度还受到粉末混合程度的影响，混合程度越高，硬度提升越明显。

在讨论部分，研究指出，沉积参数的选择对熔池的混合和不均匀性有显著影响。在高激光功率和低扫描速度的情况下，熔池的面积增大，但未熔化颗粒的数量变化不大。同时，高激光功率可能导致熔池中形成更多的带状结构，这可能与熔池的冷却速率和元素的扩散有关。此外，沉积参数的选择还需要考虑粉末的混合效率，以确保材料的均匀分布。

本研究还讨论了熔池中未熔化颗粒的分布及其对材料性能的影响。在沉积过程中，由于粉末的混合不充分，可能导致局部区域的成分差异，从而影响材料的性能。通过调整激光功率和扫描速度，可以有效减少未熔化颗粒的数量，提高熔池的均匀性。此外，研究还指出，沉积参数的选择对熔池的冷却速率和界面形态有重要影响，因此在实际应用中需要综合考虑这些因素。

在总结部分，研究指出，对于难熔金属粉末的混合沉积，选择适当的沉积顺序和参数可以有效减少不均匀性。当沉积材料具有较大熔点差异时，应将熔点较低的材料沉积在熔点较高的材料上方，以避免未熔化颗粒的存在。同时，对于密度差异较大的材料，应避免在熔点较高的材料上沉积密度较低的材料，以减少RT不稳定性的影响。此外，研究还建议，未来的研究可以扩展到其他难熔金属，探讨沉积参数对多层结构的影响，并进行更详细的RT不稳定性分析。