激光增材制造过程中循环热输入对组织和性能的影响

| 3DScienceValley · 2023/11/14

以下文章来源于金属圈，作者金属学报

激光增材制造(LAM)中逐层沉积形成独特的循环热输入，能对沉积材料产生原位热处理(IHT)效应，具有调整微观结构和提高材料力学性能的潜力。

华南理工大学王迪教授、杨永强教授等学者在《金属学报》中发表了《激光增材制造过程中循环热输入对组织和性能的影响》一文。该文针对激光增材制造中循环热输入现象进行了详细阐述，分析了工艺参数、沉积方向、层间延时、基板预热、激光重熔等对循环热输入的影响行为。不同的循环热输入能对晶粒取向、相组成、第二相析出等微观组织产生明显的影响，进而影响其力学性能。循环热输入产生的IHT效应，为改善材料性能和研发新材料提供了契机。因此本文提出了理解和建立成分-工艺-IHT效应-组织结构-力学性能之间关系的理论，进而为基于IHT效应的激光增材制造专用新材料的研究和发展提供启示。

论文链接：

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2021.00310….

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理解和利用LAM独特热输入行为进行专用新材料的研发路线展望
Perspectives on research and development (R&D) routes of LAM new approach by fully understanding and utilizing unique thermal history .

总结和展望

本文对LAM成型过程中循环热输入对组织和性能的影响进行了系统的概述。

首先，介绍了LAM成型过程的热物理现象，针对LAM成型固有的循环热输入现象进行阐述，并分析该现象产生的原位热处理效应。接着，分析工艺参数、沉积方向、层间时间、基板预热、激光重熔对循环热输入的影响；通过上述因素的调控，可以控制循环热输入温度场，实现特定的成型热输入行为。此外，LAM过程独特的循环热输入为LAM专用新材料的研发提供了契机。

新材料、新工艺、新设备、新现象及新理论的深入研究与发掘，是拓展增材制造技术工程应用的基础，其中，新材料也是我国重要的战略发展方向。然而，现有的用于增材制造的商业化粉末，如钛合金(Ti6Al4V)、镍基合金(IN718)、铝合金(AlSi10Mg)、合金钢(316L)等，均沿袭传统的成分配比。基于增材制造特有的熔池热输入特性，研究增材制造定制化金属材料是增材制造专用新材料发展亟待解决的问题。

如上图所示，可以从成分-工艺-原位热处理效应-组织结构-力学性能之间的关系出发，研发增材制造专用新材料。采用机器学习等人工智能方法对金属粉末进行成分设计，结合激光增材制造LAM成型过程温度场模拟与在线监控，通过LAM的工艺(工艺参数、沉积方向、层间时间、基板预热、激光重熔)调控循环热输入特性，利用IHT效应得到预期设计的微观组织，以获取优良性能的力学性能，从而，将激光增材制造的冶金成型过程和热处理过程同步一体化进行，缩短零件制造过程，实现近终成形。

从技术上来说，LAM中基于计算机模型主动设计和优化的合金材料需要其独特的制造工艺，需充分调研与目标材料相关的材料加工工艺与热处理数据。同时，复杂的IHT效应对多尺度工艺模拟和高精度的原位在线监控技术提出了更高的要求。在商业应用上，兼顾材料成本和性能，实现理想的微观结构-性能也是一大挑战。此外，利用IHT效应配合成型设备上嵌入的可控式电、磁、超声波等外加物理场或介质，实现对微观组织和力学性能在线原位调控，也可能是今后激光增材制造新材料开发和工艺优化的一大研究方向。

原论文信息：

王迪, 黄锦辉, 谭超林, 杨永强. 激光增材制造过程中循环热输入对组织和性能的影响[J]. 金属学报, 2022, 58(10): 1221-1235.

Di WANG, Jinhui HUANG, Chaolin TAN, Yongqiang YANG. Review on Effects of Cyclic Thermal Input on Microstructure and Property of Materials in Laser Additive Manufacturing[J]. Acta Metall Sin, 2022, 58(10): 1221-1235.

DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00310

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