Inconel 625 单道激光重熔过程中熔池动力学及控制柱状晶向等轴晶组织转变特性的实验与建模综合研究

《Journal of Manufacturing Processes》：Combined experimental and modeling study of melt pool dynamics and characteristics governing columnar-to-equiaxed microstructure transition during single-track laser remelting of Inconel 625

　　

**摘要**

准确预测熔池行为对于理解激光粉末床熔融（LPBF）中的微观组织演变至关重要。本研究中的"熔池特性"不仅指熔池几何形态，还包括时间指标和热学指标，具体包括熔池寿命、冷却时间和冷却速率。这些量与熔池形状和流动动力学共同决定了局部凝固条件和随后的晶粒演变。本研究开发了一个高保真热流模型，用于模拟IN625的单道激光重熔，纳入了传热、流体流动和相变等关键物理现象。该模型还与基于MATLAB的计算框架耦合，用于后处理，从而实现了对熔池内不同空间位置熔池寿命、冷却时间和冷却速率的定量评估。模型通过与Inconel 625单道激光重熔获得的熔池几何形貌实验测量数据进行了验证。预测的熔池尺寸，包括宽度、深度和整体形貌，与实验观测结果吻合良好。结果表明，存在明显的熔池流动模式：流体循环集中在熔池的上部和下部区域，而中心窄区呈现接近零速度的特征。该低速区域的位置和范围随扫描速度及相应的熔池形状而变化。由于流体运动受限，该区域经历加速凝固，抑制了柱状晶生长，并促进了熔池顶面附近等轴晶的形成。此外，观测到熔池特性（寿命、冷却时间和冷却速率）存在显著的空间变化，主要受熔池几何形貌和流动行为的支配。这些发现深化了对熔池动力学与凝固条件耦合关系的理解，有助于更精确地认识LPBF中的微观组织演变。

**引言**

Inconel 625（IN625）是一种关键的镍基高温合金，广泛应用于航空航天、国防、医疗和汽车等高科技行业[1]、[2]。其突出地位主要归功于其卓越的和力学性能，使其能够在苛刻环境中表现出色[3]、[4]。然而，随着对制造高复杂设计的需求增加，传统技术已无法满足塑造IN625以满足这些新要求的需求。增材制造（AM）凭借其众多优势，已成为一种变革性的解决方案，特别是其能够在最少约束条件下制造复杂几何形状的能力[5]、[6]、[7]。在众多增材制造方法中，激光粉末床熔融（LPBF）是最有效的技术，能够提供构建各种材料、复杂形状和优异力学性能的能力[6]、[8]、[9]、[10]。LPBF沿预定义扫描路径熔化沉积的粉末层，从而沿每条路径创建大量互连的熔池[11]。因此，LPBF中的熔池被认为是最小的构建单元。因此，确保熔池处于最佳状态且无缺陷至关重要[12]、[13]。

LPBF熔池中的缺陷由熔化制度驱动，该制度由LPBF工艺参数决定，包括激光功率、扫描速度、光斑间距等[14]。LPBF中的熔化制度包括球化、传导和匙孔制度，可通过熔池形貌加以识别[15]。通常，LPBF中首选传导制度，因为它有利于形成稳定且缺陷最少的熔池。LPBF中的球化制度主要由于高扫描速度下施加能量不足，导致熔覆道不连续且表面质量差[16]。匙孔制度与缺陷的高概率相关，尤其是气孔缺陷[17]。这种气孔来源于反作用压力将熔池向下压入并使气体被困在液态金属中。此外，熔池微观组织是LPBF制造零件力学性能的关键决定因素[18]、[19]。确保熔池微观组织优化以实现期望的力学性能至关重要。然而，由于熔池凝固动力学的差异，熔池内的微观组织可能高度不均匀[20]、[21]。通常，柱状晶在熔池-基体界面处通过边界形核形成，随后由于体形核作用在熔池上部形成等轴晶[22]。这导致熔池的微观组织各向异性，可能影响最终零件的力学性能[23]、[24]。许多先前的研究[25]、[26]得出结论，优化熔池微观组织最有效的方法是通过微调LPBF工艺参数，包括激光功率、扫描速度和光斑间距。然而，鉴于这些参数的广泛范围和相互依赖性，仅依靠实验研究来优化LPBF参数以实现期望的微观组织既耗时又成本高。

微观组织预测模型是优化LPBF熔池微观组织的有力工具，已有大量研究证明其在预测和优化微观组织方面的有效性[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。然而，这些微观组织预测模型必须与LPBF热流模型耦合，以准确模拟激光-材料相互作用和熔化过程。所得到的温度历史随后导入微观组织预测模型。虽然这种方法可能耗时，但与实验研究相比，仍然是更具时间效益和成本效益的替代方案。

在我们之前的研究中[12]，我们强调了各种熔池特性——包括冷却速率、液相持续时间、温度梯度和凝固速度——在利用凝固图谱预测熔池微观组织方面的重要性。通过对这些特性及其在熔池内的空间分布进行映射。然而，之前开发的基于体积热源模型的LPBF模型存在若干缺陷。值得注意的是，该模型仅关注材料相交互作用，未能模拟液态材料与惰性气体之间的相互作用。这一遗漏是关键的，因为与惰性气体的相互作用深刻影响熔池形貌及其特性。此外，该模型未能准确模拟整个熔池形貌，尤其是上部区域。这一缺陷是显著的，因为熔池形状，尤其是上部区域，在整个熔池特性的分布中起着关键作用。此外，虽然材料吸收率被建模为常数，但实际上它根据激光束各射线与熔池中液态材料的相互作用和入射角而变化。

本研究通过开发一个结合计算流体力学（CFD）与流体体积（VOF）方法的热流模型来解决这些局限性。该模型模拟了激光-材料相互作用以及液态金属与惰性气体的相互作用。此外，将基于MATLAB的模型与所开发的热流模型耦合，用于将熔池划分为柱状晶区域、柱状晶到等轴晶过渡区域和等轴晶区域。这种集成实现了对熔池微观组织的快速精确预测，提供了一种比实验研究和传统微观组织预测模型更有效、更准确的替代方案。本研究引入的模型开发的详细讨论将在以下章节中呈现。最后，本研究聚焦于所有LPBF熔化制度（球化、传导和匙孔），以更好地理解其对熔池特性的影响。

从实践角度来看，准确预测熔池行为对于提高LPBF工艺可靠性和零件性能至关重要。熔池特性直接影响微观组织演变，进而决定力学强度、抗疲劳性能和各向异性等关键性能。在工业应用中，无法精确控制这些特性往往导致气孔、未熔合或不理想的晶粒结构等缺陷，最终限制了LPBF在关键部件中的应用。因此，开发能够捕捉熔池动力学及其空间变化的预测建模工具对于工艺优化、缺陷缓解以及设计具有定制化微观组织的材料至关重要。本工作通过提供将熔池行为与微观组织结果联系起来的基于物理的框架，为这一目标做出贡献，提供了向更可靠、更高效的LPBF工艺设计迈进的途径。

本文的其余部分组织如下：第2节详细描述了所采用的实验程序，提供了IN625单道激光重熔的深入概述，包括所使用的材料和表征技术。第3节阐述了LPBF热流模型和基于MATLAB的模型的开发过程，包括支撑这些模型的控制方程。第4节讨论了用于求解所开发模型的数值解法、计算域以及初始条件和边界条件。最后，第5节展示了结果和讨论，第6节总结了主要发现并对未来研究提出了建议。

**章节摘要**

**单道激光重熔与表征**

使用Aconity3D GmbH（德国）生产的Aconity MIDI打印机，在美国橡树岭国家实验室对IN625板材进行了单道激光重熔，专门用于验证LPBF热流模型。该打印机最大功率输出为1000 W，激光光斑直径为100 μm。打印机的进一步细节和规格可参见文献[32]。使用激光源在不同扫描速度下对一块6 mm厚的IN625板材进行重熔。

**LPBF热流模型**

模拟LPBF技术是一项具有挑战性的工作，因为需要考虑激光扫描过程中发生的多种物理现象。这些现象包括激光向材料的传热、熔化、凝固和蒸发。此外，模拟还必须考虑流体流动动力学以及各种源项，包括表面张力、Marangoni力、熔融材料浮力、重力、激光-材料相互作用等。

**数值解法**

本节提供了用于求解第3节中LPBF热流模型和LPBF微观组织预测模型控制方程的数值解法方法的详细概述。本节包括所开发模型的计算域信息、实施细节、IN625单道激光重熔参数、网格密度分析，以及在整个研究过程中使用的假设、初始条件和边界条件。

**熔池形状**

图8展示了在不同扫描速度及对应激光功率下（如表1所述）熔池的垂直截面形状（YZ平面）。液态金属通过半透明红色叠加和体积分数截止值为0.5的等值面进行突出显示，用于定义熔池边界并区分IN625材料相与惰性气体相。这些熔池形状与熔池SEM图像上叠加的形状相同，这些SEM图像被用于验证。

**结论与总结**

本研究对IN625单道激光重熔过程中的熔池特性和流动动力学进行了详细研究。为此，开发了一个高保真热流模型并与基于MATLAB的后处理框架耦合。该模型纳入了控制LPBF过程的关键物理现象，包括激光-材料相互作用、与惰性气体环境的相互作用以及温度相关的物性。

模拟结果揭示了……

**CRediT作者贡献声明**

Mohamed Abdelmoula：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Frank Brinkley：撰写–审阅与编辑，方法学，调查，形式分析，数据整理。Patxi Fernandez-Zelaia：撰写–审阅与编辑，方法学，调查，数据整理。William Musinski：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，监督，资源。

**代码可用性**

本研究使用的代码仅限作者使用，不可申请获取。由于专有或保密原因，代码无法与外部人员共享。关于代码的任何询问应向作者提出。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作部分通过美国能源部在合同DE-AC05-00OR22725下与UT-Battelle LLC合作，在橡树岭国家实验室制造演示设施（一个能源效率与可再生能源办公室用户设施）完成。

作者还感谢威斯康星大学密尔沃基分校工程与应用科学学院提供的启动资金支持，并对所提供的计算资源表示感激。

Mohamed Abdelmoula | Frank Brinkley | Patxi Fernandez-Zelaia | William Musinski