利用双光斑光束成形技术研究Inconel 718合金在高功率PBF-LB/M工艺中的微观结构各向异性及生产效率

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Investigating Microstructural Anisotropy and Productivity in High-Power PBF-LB/M of Inconel 718 Using Dual-Spot Beam Shaping Strategy

　　纳尔吉斯·米尔扎贝吉（Narges Mirzabeigi）|戴瑞航（Ruihang Dai）|托比亚斯·诺沃特尼（Tobias Novotny）|彼得·霍尔费尔德-施瓦尔梅（Peter Holfelder-Schwalme）|阿努什·阿加贾尼-塔莱什（Anoush Aghajani-Talesh）|马库斯·比尔格（Markus Birg）|安妮特·利茨（Annette Lietz）|卡特琳·武迪（Katrin Wudy）
慕尼黑工业大学激光增材制造教授职位

**摘要**
在基于激光的金属粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺中，通过使用更大且非高斯的激光强度分布，可以实现更高的体积构建速率。然而，更高的生产率通常伴随着明显的微观结构各向异性，这是由于形成了宽而浅的熔池，这些熔池促进了外延柱状晶粒的生长，尤其是在像Inconel 718这样的高性能合金中。本研究探讨了通过光束整形技术实现的空间分布双光斑激光轮廓如何影响最终形成的微观结构各向异性，并提高Inconel 718的PBF-LB/M工艺的生产率。研究使用了两种以受控方式排列的高斯光斑来改变熔池几何形状以及最终零件的质量，包括孔隙率、表面粗糙度和微观结构。原位多光谱成像被用作监测工具，以分析熔池的热行为并指导双光斑光束轮廓的配置。实验结果表明，两个光斑之间的小偏移量（90 μm）会导致形成一个大而融合的熔池。相反，增加两个高斯光斑在扫描方向上的偏移量（最多130 μm）可以防止熔池融合，这是这种具有紧密排列熔池的加工条件的特征。应用光斑偏移量后，填充区域的孔隙率从2.2%降低到0.02%，表面粗糙度Ra从41.6 μm降低到13.7 μm，平均晶粒直径从550 μm细化到198 μm，纹理指数从7.4降低到2.1，表明在可比的孔隙率水平下晶体各向异性显著减小。同时，采用双光斑光束整形策略后，有效体积构建速率从4.2 m3/s（高斯状态下的最佳水平）提高到16.4 mm3/s，生产率提高了390%。这些发现展示了双光斑激光强度分布对PBF-LB/M最终形成的微观结构各向异性的影响，而其对熔池热行为的影响仍需进一步研究。

**引言**
基于激光的金属粉末床熔融（PBF-LB/M）是一种广泛采用的增材制造工艺，能够实现接近净形的零件生产并具有灵活的设计。该工艺的技术成熟度使其能够可靠地、高分辨率地、高效率地制造复杂的轻质部件，例如Inconel 718（IN718），而这些部件用传统方法制造非常困难，因此它在航空航天、国防和其他高价值行业中特别有价值[1]。工业界的一个共同目标是通过提高生产率和缩短制造链来降低每个零件的成本。这包括努力消除某些后处理步骤，如热等静压（HIP）和热处理（HT），同时仍能实现所需的机械性能。要实现这些目标，需要更深入地理解物理过程，特别是激光束与材料之间的相互作用。在这种情况下，激光的空间强度分布对于确定熔池行为起着关键作用[2]。单模光纤激光器具有高斯强度分布，是PBF-LB/M系统中的标准光束轮廓，因为它们具有高质量的光束（M2 ≈ 1），确保了在整个构建平台上的可靠聚焦能力[2]。然而，高斯分布的高中心强度常常导致工艺不稳定性，如keyhole形成和飞溅产生[3]。这些效应限制了工艺窗口，并限制了提高生产率的机会。最近的研究表明，替代的光束轮廓（如直径大于100 μm的环形光束）可以扩大工艺窗口[4]并减少飞溅[5]。此外，修改激光强度分布已被证明会影响温度梯度和凝固行为[6]，从而改变熔池几何形状并影响最终的微观结构[7]。以往的研究仅通过模拟[6]或模拟与实验相结合[8]来研究这种效应。然而，关于如何通过应用光束整形在单个激光源上实现具有细小等轴晶粒和随机晶粒取向的各向同性微观结构，同时实现高于当前高斯光束轮廓（4.2 mm3/s）的体积构建速率的知识仍然有限[9]。
本文研究了一种双光斑光束整形策略，其中两个高斯光束轮廓在空间上被配置以改变熔池几何形状，从而改变最终形成的微观结构特性。虽然这种方法有可能同时影响生产率和微观结构各向异性，但其应用受到熔池相互作用的挑战，特别是熔池融合现象，这阻碍了致密体积零件的制造[10]。因此，本研究提出了以下研究问题：不同的双光斑光束整形配置如何影响熔池的热行为和几何形状，进而影响PBF-LB/M中微观结构各向异性的发展？以下引言首先概述了通过PBF-LB/M制造的IN718的微观结构形成机制，然后讨论了使用激光光束整形来定制最终微观结构的方法，包括单光斑和多光斑光束整形策略。

**凝固形态**
凝固形态主要由热梯度（G）和固液界面速度（R）决定，它们共同决定了局部凝固条件。它们的相互作用决定了微观结构是平面型、蜂窝型、柱状型还是等轴型，其中晶粒方向由G控制，晶粒尺寸由R控制[11]。这些关系通常用比率G/R和G×R来表示，较高的G/R有利于柱状生长，而较高的G×R（即更快的冷却速率）会导致更细的微观结构[12]。以往的研究表明，激光强度分布和激光束直径会影响冷却速率[13]和熔池几何形状[14]，这反过来直接影响凝固参数[6]。高曲率的深熔池会产生陡峭的热梯度并促进快速冷却，从而形成细小的晶粒结构。相比之下，宽而浅的熔池会更均匀地分配热量，导致中等冷却速率、流体流动减少以及较粗长的晶粒生长[15]。对于面心立方（FCC）合金（如IN718），晶粒优先沿着?100?晶体学方向生长，该方向具有最低的原子密度和最高的凝固速率。这种方向偏好导致了各向异性的晶粒生长。竞争性晶粒生长进一步影响了纹理演变：与主导热流方向对齐的晶粒会胜过错位的晶粒，从而形成选择性的纹理微观结构[16]。理解这些关系突显了熔池几何形状在定制最终微观结构各向异性中的重要性。修改熔池宽度、深度和热条件的策略有可能改变通过PBF-LB/M工艺制造的IN718部件的微观结构特性[7]。

**PBF-LB/M中的光束整形**
在PBF-LB/M中，已经广泛研究了使用单光斑和多光斑光束轮廓来定制熔池几何形状、微观结构和机械性能。基于模拟的研究表明，激光强度的空间重新分布会影响冷却速率和凝固行为。Moore等人[6]开发了一个耦合的热传输-蒙特卡洛模型，用于预测使用高斯、环形和贝塞尔光束轮廓的PBF-LB/M过程中的温度场演变和晶粒微观结构。他们的结果表明，光束整形强烈影响熔池几何形状和凝固条件：环形光束产生的峰值温度低于高斯轮廓，而贝塞尔光束产生的熔池更窄、更受限。这种减小的熔池尺寸促进了更快的凝固，并产生了比高斯和环形光束更细、更等轴的晶粒。然而，该研究存在一个局限性，即由于光束直径的变化，不同光束轮廓之间的光束强度没有严格标准化，这影响了观察到的效果的可比性。Shi等人[8]研究了使用高斯和椭圆形光束轮廓在单轨PBF-LB/M中316L合金的从柱状到等轴微观结构的转变。他们证明，光束的椭圆形改变了激光-粉末相互作用时间和熔池几何形状，从而影响局部热梯度和凝固行为。在此基础上，Roehling等人[17]研究了热分布轮廓的椭圆形对体积PBF-LB/M部件中晶粒形态的影响。他们发现，与常规高斯光束相比，椭圆形强度分布改变了熔池形状并减少了热梯度，从而产生了更高比例的细小等轴晶粒和更精细的微观结构。还有一些研究专注于环形核心光束轮廓以及改变环芯功率比对熔池几何形状和部件特性的影响。Perez-Ruiz等人[7]强调了熔池形态（特别是熔池曲率）对IN718最终微观结构特性的关键作用，例如纹理指数。他们的实验工作使用了各种光束轮廓，包括直径从50到150 μm的高斯和环形核心光束。结果表明，使用环形轮廓实现的宽而浅的熔池（低曲率）促进了整个部件上的外延晶粒生长。纹理指数增加，最小值为3，表明存在显著的各向异性。然而，这项研究中使用的30 μm薄层厚度导致了相对较低的体积构建速率2.1 mm3/s。虽然之前关于单光斑光束整形策略的研究提供了如何控制最终微观结构和各向异性的基本理解，但它们并未涉及提高体积构建速率的问题。在这些单光斑方法的基础上，多光斑光束整形策略主要是为了提高生产率而引入的；然而，它们在控制微观结构各向异性方面的作用仍然很大程度上未被探索。

Slodczyk等人[18]采用结合实验和模拟的方法研究了在不同工艺参数和光斑距离下使用多光斑配置（三个和五个光斑）生成的单轨。该研究确定了能够在确保工艺稳定性的同时提高构建速率的最佳光斑间距和工艺条件。然而，没有进行详细的微观结构分析，特别是关于各向同性或晶粒形成的分析。Tsai等人[19]报告了使用基于衍射光学元件（DOE）的三光斑PBF-LB/M系统实现的更短暴露时间和更低的表面粗糙度。Zhang等人[10]在单轨实验中研究了使用双激光系统的双熔池相互作用，研究了不同的X偏移（X-offset）和Y偏移（Y-offset）距离，从而识别出三种相互作用模式：熔池分离、周期性融合和完全融合。在周期性融合模式下，观察到了两种配置：头对头和尾对尾融合，每种情况都取决于X偏移和Y偏移的具体组合。周期性融合的主要驱动力被认为是由高热梯度和反冲压力引起的熔池不稳定性。尽管这项研究具有系统性，但没有采取进一步步骤来使用这种方法制造体积部件。Spieth等人[20]证明，使用分裂单个激光束产生的三光斑配置可以在立方样品中实现高相对密度。他们的研究表明，使用分束器可能会导致各个光斑上的聚焦变化，这取决于它们在构建平台上的位置，进而影响最终部件的密度。然而，该研究没有提供明确的策略来缓解这一挑战。此外，该研究仅限于密度测量，没有进一步研究孔隙特性、熔池行为或最终形成的微观结构。Vanmunster等人[21]使用高速成像技术研究了同步双光斑PBF-LB/M系统中的熔池相互作用，并验证了热模型。基于传导的模型结合叠加的高斯热源预测了熔池尺寸，平均误差约为6%，并准确捕捉了熔池融合，除了受表面张力影响的过渡区域。尽管该研究展示了同步双光斑策略并尝试使用高速成像来理解制造过程中的熔池相互作用，但并未进一步研究体积部件的制造和同步双光斑对部件特性的影响。

尽管对单光斑和多光斑光束整形策略进行了广泛的研究，但仍存在关键的研究空白。单光斑研究表明光束轮廓影响熔池几何形状、凝固和微观结构，但主要限于单轨实验或模拟，没有关注提高生产率的问题。多光斑方法能够实现同时曝光，但它们对微观结构各向异性和体积部件制造的影响仍不够充分。为了解决这些空白，本研究介绍了一种使用单个激光源的同时多轨曝光的双光斑光束整形策略。通过建立双光斑光束轮廓与工艺特性、熔池热行为、熔池几何形状以及最终形成的微观结构特性（包括各向异性）之间的关系，原位多光谱成像（MSI）被用于实时监测熔池相互作用和温度分布。

**材料**
在本研究中，使用的材料是IN718，这是一种由Oerlikon Metco AG提供的镍基合金。其名义化学成分包括53-55 wt.%的Ni、18 wt.%的Fe、18 wt.%的Cr、5 wt.%的Nb + Ta、3 wt.%的Mo以及1 wt.%的Ti，以及其他微量元素的含量低于0.5 wt.%。根据供应商的规格，该粉末的粒径分布分别为d10 = 18.0 μm、d50 = 30.0 μm和d90 = 46.0 μm。

**制造工艺**
样品是使用EOS M290 PBF-LB/M系统制造的。

**结果与讨论**
结果部分的结构如下：首先展示了采用不同双光斑策略制造的立方体的横截面图像，以显示每个立方体的孔隙率水平。随后基于显微图像对每种光束分割策略的孔隙率进行了评估。还展示了顶面粗糙度测量结果，并对其进行了讨论，以说明两个熔池之间的相互作用动态。根据光束的不同，熔池的合并情况也进行了分析。

**结论**
本研究建立了一种基于液晶空间光调制器（LCOS-SLM）技术的双光斑光束成形策略的工艺-性能关系。通过共轴多光谱成像（MSI）原位表征了熔池的热行为，而熔池的几何形状则通过光学显微镜进行分析。最终构建的微观结构（包括各向异性）通过电子背散射衍射（EBSD）进行了表征。研究结果表明，在...

**作者贡献声明**
Narges Mirzabeigi：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿起草、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。
Tobias Novotny：撰写 – 审稿与编辑。
Ruihang Dai：撰写 – 原稿起草、可视化、验证、方法论、形式分析、数据管理。
Anoush Aghajani-Talesh：撰写 – 审稿与编辑。
Peter Holfelder-Schwalme：撰写 – 审稿与编辑。
Annette Lietz：研究、数据管理。
Markus Birg：...

**关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**
作者使用了AI语言模型（ChatGPT，OpenAI）来辅助编辑和提高手稿的清晰度。AI并未用于生成、分析或解释科学数据。所有科学内容和结论均由作者本人完成和验证。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能影响本文所述的工作。

**致谢与作者贡献**
作者感谢在InShape项目——“通过激光束成形实现金属基增材制造的创新”下进行这项研究。该项目得到了欧盟（EU）的支持，项目编号为101058523。作者感谢EOS GmbH Electro Optical Systems提供带有光束成形光源的PBF-LB/M设备。此外，作者还感谢TUM国际科学与工程学院（IGSSE）为该项目提供的资金支持。