南航顶刊丨平顶光束激光粉末床熔融Ti-6Al-4V的熔池稳定性和微观结构演化

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激光束的能量分布模式对增材制造（AM）过程中的熔池稳定性和缺陷形成机制具有显著影响。深入了解这种影响对于提高熔池稳定性和减少缺陷是必要的。近日，南京航空航天大学机电学院赵建峰教授、航天学院谢德巧博士团队在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》上发表最新研究成果 “Stability of molten pool and microstructure evolution of Ti-6Al-4 V during laser powder bed fusion with a flat-top beam”，提出了一种高保真模型来揭示Ti-6Al-4V激光粉末床熔化(PBF-LB)过程中不同光束模式下熔池内的流体动力学。

为了比较高斯光束和平顶光束，使用不同的工艺参数计算了熔池的瞬态温度和流场。还制造了Ti-6Al-4V样品来验证模拟。结果表明，高热输入的高斯光束会产生陡峭的锁孔壁，这使得激光反射变得不可预测。吸收能量的变化导致作用在匙孔尖端上的反冲压力不稳定，增加了匙孔塌陷和气孔形成的可能性。与高斯模式相比，平顶光束内的温度场更加均匀。均匀分布的反冲压力将熔体从中心向两侧推动，形成小倾角的匙孔壁，减少了反射次数，提高了流场的稳定性。平顶光束的采用大大扩展了工艺窗口。当体积能量密度（VED）满足最低要求时，即可获得高密度样品。扫描间距(HS)对样品的组成相有影响。大部分β相与少量HS形成。

图 1. 测量和简化的能量分布模式 (a) 高斯分布; (b) 平顶

图 2. 带有平顶梁的制造样品 (a) HS= 90 μm; (b) HS= 120 μm

图 3. 使用平顶光束沉积期间的温度场 (a)-(c) P = 220 W, v= 1200 mm/s (d)-(f) P = 290 W, v= 1200 mm/s (g)-(i) P = 290 W, v= 500 mm/s

该研究提出了考虑激光反射和材料熔化/凝固的高保真模型来模拟Ti-6AL-4 V的PBF-LB过程，计算了单道沉积过程中的瞬态温度和流场：高斯光束和平顶光束。通过相应的实验验证了仿真结果。研究了热输入和能量分布模式对尺寸和熔池稳定性的影响。通过多轨模拟获得材料的热历史数据并用于分析相变。主要结论如下：

1）当采用大热输入时，高斯光束中心的集中能量密度容易产生高深宽比的小孔。陡峭的小孔壁上的突起极大地改变了激光反射行为，并且可能突然减少小孔尖端吸收的激光能量，导致小孔尖端塌陷并增加形成气孔的可能性。高斯光束的工艺窗口受到限制，通过增加热输入来提高打印效率变得困难。

2）平顶梁内材料的温度更低且更均匀，这导致反冲压力更低且分布更均匀，并且前部匙孔壁平坦。均匀分布的反冲压力将熔融金属从中间推向两侧，形成宽而浅的锁孔。与相同VED的高斯光束相比，熔池的长径比更小，表现出更好的熔池稳定性。可以获得宽广的工艺窗口。

3）HS对平顶梁制造的Ti-6Al-4 V样品的组成相有显着影响。大部分β相由少量HS形成。HS越大，β相含量越低。

引用: Wang K, Xie D, Lv F, et al. Stability of molten pool and microstructure evolution of Ti-6Al-4V during laser powder bed fusion with a flat-top beam[J]. Additive Manufacturing, 2023: 103756.

来源：增材制造硕博联盟