静磁场驱动的激光粉末床熔融制造Ti6Al4V点阵结构的优化

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Static magnetic field-driven optimization of Ti6Al4V lattice architectures fabricated by laser powder bed fusion

　　

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  通过LPBF在制过程中施加静磁场（SMF）对Ti6Al4V晶格结构的成型进行过程控制
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  SMF将HRS的孔隙率从4.93%降低至0.29%
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  SMF削弱了晶格杆件中的方向性马氏体生长
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  OOCS和HRS晶格的屈服强度分别提高了99%和89%
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  SMF促进稳定塌陷并提高能量吸收能力

引言

钛合金Ti6Al4V凭借其卓越的比强度、耐腐蚀性和热稳定性[3]、[4]的综合性能，成为航空航天、生物医学和能源领域应用最为广泛的结构材料之一[1]、[2]。随着轻量化和多功能工程系统的快速发展，由Ti6Al4V制成的结构晶格结构引起了越来越多的关注[5]，因为通过几何设计可以实现对刚度、强度重量比和能量吸收的空前控制[6]。在各种增材制造技术中，激光粉末床熔融（LPBF）在制造具有复杂拓扑结构、高尺寸精度和近净成形的Ti6Al4V晶格结构方面具有无与伦比的能力[7]。

尽管具有上述优势，LPBF制造Ti6Al4V晶格结构仍受到固有过程不稳定性[8]、[9]的根本性限制。高度局部化的快速熔凝固循环导致熔体流动不稳定、飞溅形成和匙孔动态效应[10]，这些现象在细杆件和高孔隙率结构[11]中尤为显著。Liu等人[12]研究了激光焊接的LPBF-LDED Ti6Al4V接头，通过外延柱状晶生长实现了高接头强度（达到基材的96%）。然而，强烈的热梯度导致微观组织不均匀、晶粒粗化、保留α'马氏体和孔隙辅助断裂，凸显了纯热处理过程控制的局限性。Lu等人[13]将LPBF与激光冲击强化相结合，细化了Ti6Al4V的微观组织，实现了超细等轴区域并改善了强塑性协同。然而，对强烈热力循环的依赖导致微观组织不均匀，且对晶粒细化和织构均匀性的跨构建控制有限。Arputharaj等人[14]系统研究了LPBF制造的Ti6Al4V结构的打印性、表面形貌、缺陷形成和微观组织演化，得出结论认为，LPBF中陡峭的热梯度和无支撑特征促进了孔隙、表面不规整和马氏体α'不均匀性，凸显了纯热处理过程控制在可靠晶格制造方面的局限性。这些效应导致未熔合和匙孔孔隙等缺陷、表面粗糙度以及微观组织不均匀性[15]，从而损害晶格部件的力学可靠性和可重复性。此外，陡峭的热梯度和定向凝固促进强织构和各向异性，阻碍了承载晶格设计中可预测的力学性能[16]。

为缓解这些挑战，大量努力已投入到工艺参数优化[17]、[18]、扫描策略修改[19]、后处理工艺[20]和晶格拓扑重新设计[21]方面。增材制造中的工艺级改性已被证明可通过细化凝固组织来提高强塑性平衡[22]、[23]。Noronha等人[24]通过LPBF制造了多拓扑Ti6Al4V中空杆晶格结构，实现了超越传统蜂窝金属极限的卓越强度和结构效率。然而，性能仍受应力集中、定向凝固和热致微观组织各向异性的制约，表明仅通过几何设计对微观组织的控制有限。Waqar等人[25]报道了LPBF Ti6Al4V功能梯度晶格结构的压缩强度和能量吸收能力有所提高。然而，该研究主要关注几何梯度化，对工艺诱发的缺陷和热梯度驱动的微观组织变异性研究尚不充分。虽然这些方法可以部分减少缺陷或改善力学性能，但它们往往涉及狭窄的工艺窗口、增加的制造复杂性，或在强度和塑性之间做出权衡。更根本地说，这些策略主要针对外部工艺变量而非直接调节熔池动态和凝固行为。因此，一种能够稳定熔体流动并抑制LPBF过程中微观组织不稳定性的稳健基于物理的方法仍然非常迫切。

近年来，在LPBF过程中施加外部静磁场（SMF）作为一种通过磁流体力学相互作用主动操控熔池行为的有前景途径而受到关注[26]。之前对铝基和镍基合金的研究表明，SMF可以显著改变Marangoni对流、抑制熔池湍流、促进柱状晶向等轴晶转变并减少缺陷形成，从而实现强度和塑性的同步提升[27]。这些效应源于熔融金属中热电电流产生的洛伦兹力，改变了熔体流动模式和固液界面处的溶质再分配[28]。Li等人[29]在AZ91D镁合金的LPBF过程中引入外部静磁场，实现了孔隙率降低、晶粒细化、纳米析相增强以及显著的强塑性协同效应，拉伸强度和延伸率分别提高了约17%和约89%。Zhao等人[30]在Ti6Al4V激光增材制造过程中引入静磁场，证明SMF诱发的热电磁力可以细化原β晶粒、降低表面粗糙度并产生不连续α晶界。Yu等人[31]通过耦合DEM-CFD模拟系统研究了静磁场对Inconel 718 LPBF熔池动态的影响，揭示了SMF诱发的磁阻尼和热电磁力对熔体流动行为的调控作用。尽管Ti6Al4V具有重要的技术意义且晶格结构受到日益增长的关注，但静磁场（SMF）对LPBF制造的Ti6Al4V晶格的影响仍 largely 未探索。现有的SMF辅助LPBF研究主要集中于块体试样，而晶格结构由于热质量减小和散热复杂，经历了根本不同的处理条件。因此，SMF诱导效益对晶格结构的可迁移性，以及SMF强度在调节熔体稳定性、微观组织和力学响应中的作用仍不清楚，需要系统研究。

之前的SMF辅助增材制造研究主要考察块体或近致密的Al基、Ni基、Mg基和Ti基试样，其中热场和熔道几何形状相对均匀，力学性能主要由固有微观组织特征决定。因此，本研究专注于SMF辅助加工与晶格结构之间的相互作用，关联0、0.22和0.42 T磁场强度。通过结合详细的缺陷表征、微观组织分析和力学测试，本研究阐明了SMF强度如何调控熔体流动稳定性、抑制微观组织不稳定性并增强力学性能。特别关注与不同磁场强度相关的强化主导和塑性有利区间。本工作旨在确立SMF作为实现精确、低缺陷且力学可靠的Ti6Al4V晶格结构的有效且可扩展的过程控制参数，从而为先进承载和多功能应用提供新的设计途径。

章节摘要

材料与SMF辅助LPBF加工

实验方法的设计将施加的SMF作为过程控制变量而非后成型处理。因此，所有工艺参数、构建方向和晶格尺寸保持不变，而磁场强度在0、0.22和0.42 T之间变化。这种受控设计旨在建立SMF辅助LPBF、几何依赖性缺陷形成与SMF辅助LPBF、几何依赖性缺陷形成

SMF对杆件表面形貌和粗糙度的影响

图3比较了未施加SMF和施加0.42 T SMF条件下制造的OOCS和HRS晶格结构的成型表面形貌。在未施加SMF的情况下，如图3 (a, c)所示，两种晶格设计均表现出明显的表面粗糙度，其特征为大量粘附的半熔化粉末颗粒和不规则的杆件轮廓，特别是在节点和接头区域。这些特征反映了熔池行为不稳定和粉末压实效率低

SMF介导的熔体流动和微观组织演化解释

Ti6Al4V晶格结构的缺陷演化和微观组织特征本质上受LPBF过程中SMF诱导的熔池动态修改所支配。在未施加SMF的情况下，Micro-CT分析显示体积孔隙率升高和Z方向缺陷带状分布，特别是在杆件接头和水平杆件处集中。这种缺陷拓扑结构符合以Marangoni力为主的熔体流动特征，其中陡峭的表面张力梯度驱动涡旋状

结论

本工作系统研究了SMF在LPBF制造的Ti6Al4V晶格结构的缺陷演化、微观组织特征和力学响应中的作用。本研究的主要结论总结如下：

1）施加SMF（0.22-0.42 T）通过电磁阻尼和TEMC重新配置熔池对流，削弱Marangoni驱动的涡旋，从而减少气体捕获和Z方向孔隙带状分布，特别是在

CRediT作者贡献声明

Amir Hamja：可视化、方法论。Xuewei Fang：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督。Muhammad Jawad Ahmad：可视化、验证、软件、数据整理。Ke Huang：写作 – 审阅与编辑、监督、资源、资金获取。Shahid Ghafoor：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。Xinzhi Li：写作 – 审阅与编辑、可视化、软件，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本工作受轻型超导合金国家重点实验室（项目编号：sysjj2025317）资助。

Shahid Ghafoor|Xinzhi Li|Mingyang Wang|Hongkai Zhang|Amir Hamja|Xuewei Fang|Muhammad Jawad Ahmad|Ke Huang