层间热历史对激光定向能量沉积法制备的316L不锈钢塑性的影响

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Effect of interlayer thermal history on the plasticity for 316L stainless steel fabricated by laser-directed energy deposition

本研究提出了一种基于熔池宽度在线控制与PID算法协同的激光直接能量沉积（LDED）技术优化方案，通过双摄像头系统实时监测熔池宽度和温度，动态调节激光功率以抑制热积累效应。实验表明，控制模式下熔池宽度稳定在2.5mm，冷却速率提升24%，晶粒细化31.4%，最终材料拉伸强度和延展性分别提高10.4%和52.8%。微观结构分析证实，熔池宽度控制通过优化温度梯度抑制了柱状晶生长，减少了位错密度并促进等轴晶形成，从而改善材料力学性能。

　　在现代制造业中，316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性和低热膨胀系数，被广泛应用于航空航天领域的关键部件，如燃烧室、涡轮盘和叶片等。然而，传统的激光定向能量沉积（LDED）技术在实际应用中面临一个显著的问题——热积累。这种现象不仅影响了材料的微观结构分布，还对层间塑性产生了不利影响。为了解决这一问题，研究者提出了一种结合共轴摄像头监测与在线反馈控制算法的新方法，旨在实时监控熔池状态，并通过控制熔池宽度来提升制造过程的稳定性。

本研究中，实验采用了两种不同的沉积模式：传统模式和控制模式。在传统模式下，熔池宽度随着沉积层数的增加而逐渐扩大，从第一层的2.3毫米增长到第三十层的3.8毫米。而在控制模式下，通过PID控制算法，熔池宽度被稳定在2.5毫米，这一数值与理想值2.4毫米相比，波动范围较小，表明该控制策略在稳定熔池形态方面具有显著效果。同时，研究者还对两种模式下的热传导模型进行了推导，并深入探讨了热积累对材料塑性的影响机制。结果显示，控制模式下的冷却速率提高了24%，这一变化不仅有助于熔池的快速冷却，还促进了晶粒的细化，使得晶粒尺寸减少约31.4%。此外，控制模式下的材料最终伸长率提升了52.8%，进一步证明了该技术在提升材料性能方面的有效性。

在实验过程中，研究者使用了共轴摄像头和红外热成像仪进行实时监测。共轴摄像头被安装在激光头附近，用于捕捉熔池的形状，并从中提取宽度信息。红外热成像仪则负责监控整个沉积过程中材料的温度变化。通过将熔池宽度作为控制变量，研究者能够在检测到实际宽度与理想宽度存在差异时，及时调整激光功率，从而实现熔池的稳定。这种实时监测和反馈控制策略有效减少了热积累效应，使得材料的冷却速率加快，晶粒结构更加均匀，进而提升了材料的塑性。

在材料微观结构方面，研究者对两种沉积模式下的晶粒形态和分布进行了详细分析。传统模式下，熔池的冷却速率较低，导致晶粒尺寸较大，形成较多的柱状晶和粗大的等轴晶。而在控制模式下，由于激光功率的动态调整，冷却速率显著提升，晶粒尺寸缩小，形成了更精细的晶粒结构。此外，研究还发现，控制模式下的晶界分布更加均匀，高角度晶界（HAGB）的比例显著增加，而低角度晶界（LAGB）的比例则有所下降。这一变化表明，控制模式不仅促进了晶粒的细化，还改善了晶界结构，从而提升了材料的强度和韧性。

研究还涉及了拉伸试验和断裂形态分析。在控制模式下，拉伸试验结果表明，材料的抗拉强度和伸长率均有所提升，其中伸长率提高了约52.8%。这种性能的提升与晶粒细化和晶界分布的变化密切相关。此外，通过扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析，研究者发现控制模式下的断裂表面呈现出更多的塑性变形特征，如凹坑和微孔，而传统模式下的断裂表面则显示出较多的脆性断裂特征，如河流状裂纹和清晰的裂纹扩展路径。这些差异进一步证明了控制模式在提升材料韧性方面的优势。

研究者还探讨了熔池宽度控制对晶界结构和位错密度的影响。在控制模式下，由于冷却速率的提升，晶界分布更加均匀，位错密度显著降低。位错密度的降低不仅有助于减少材料内部的应力集中，还促进了塑性变形的均匀分布，从而提高了材料的延展性。此外，研究还发现，控制模式下的晶粒细化效应与晶界分布的改变密切相关，晶粒细化进一步增强了材料的强度，这一现象与Hall-Petch公式所描述的晶粒尺寸与强度之间的关系一致。

综上所述，本研究提出了一种基于共轴摄像头监测与在线反馈控制算法的熔池宽度控制技术，成功解决了传统LDED技术中的热积累问题。该技术不仅提升了熔池的稳定性，还通过调节冷却速率和温度梯度，实现了晶粒的细化，从而改善了材料的微观结构和力学性能。此外，控制模式下的晶界分布和位错密度的变化进一步验证了该技术在提升材料塑性和延展性方面的有效性。这些研究成果为未来复杂航空航天构件的制造提供了新的技术支持，有助于提升材料的冶金结合质量和整体性能。