原位场辅助增材制造

摘要：激光增材制造(LAM)的特点是复杂结构产品的快速迭代生产、制造灵活性高、稳定性好，可满足高端设备的整体性和多功能性要求。此外，它对未来太空和深海区域的探索和发展至关重要。然而，LAM往往会在熔池中产生高温梯度，导致孔隙率、裂纹和不均匀的粗柱状结构等缺陷。为了解

前言

激光增材制造(LAM)的特点是复杂结构产品的快速迭代生产、制造灵活性高、稳定性好，可满足高端设备的整体性和多功能性要求。此外，它对未来太空和深海区域的探索和发展至关重要。然而，LAM往往会在熔池中产生高温梯度，导致孔隙率、裂纹和不均匀的粗柱状结构等缺陷。为了解决这些挑战，引入了一种新方法，其中原位场通过调节熔池的形态和内部晶粒成核来提高LAM的质量。原位场辅助LAM(激光粉末床熔融(LPBF)和激光粉末定向能量沉积(LDED))包括超声、磁场、脉冲电流、脉冲激光。

Laser & Electron Beam Processing

原位超声辅助LAM

超声波是由以高于20 kHz的频率传播的机械波。在足够高的强度下，超声会产生热效应、机械效应、空化效应和化学效应。超声波不仅将声能引入熔池中，还会诱发空化、声流和热效应等非线性效应：当超声波振幅达到或超过熔融金属阈值时，超声波会引起熔池中气泡的形成、生长和内爆破裂，从而形成高压，高温和剧烈的局部冲击波。从而影响熔池凝固过程中金属缺陷、微观组织和性能的变化。该方法也适用于不锈钢和高温合金等材料的激光增材制造。这主要归因于超声在熔池中导致粗晶体碎裂和增强成核，从而促进细等轴晶粒结构的形成。

图1. 原位超声辅助LAM

原位磁场辅助LAM

自1917年一家欧洲钢铁制造公司首次将磁场搅拌应用于金属冶炼过程以来，磁场辅助金属凝固已成为冶金学中的重要研究方向。磁场对冶金的各个方面都有重要影响，包括凝固温度、晶体生长结构、溶质或夹杂物分布和熔体流速。通过构建磁场搅拌半固体金属加工过程的动量、热量和溶质传递的数学模型，分析了磁场搅拌作用下的固液相互作用，发现熔体对流显着影响冶金中的凝固结构。通过物理建模和同步加速器X射线照相的原位观察研究了磁场辅助凝固过程，发现在金属定向凝固过程中，施加的磁场与固液界面处的热电流之间的相互作用可以产生热电磁流体动力学流，从而影响凝固过程中固液界面的形状。

图2. 原位磁场辅助LAM的示意图

原位脉冲激光辅助LAM

激光冲击强化(LSP)是一种先进的脉冲激光技术，可以在金属表面产生高压等离子体冲击波，以调节微观组织和残余应力状态，具有高应变率、高精度和良好的可控性。脉冲激光诱导的等离子体冲击波导致熔池剧烈振荡，将其从静止对流状态转变为滚动状态，从而扩大熔池表面积。等离子体冲击波压力下降到熔体表面张力以下后，熔体回流到熔池中心。熔池的膨胀和收缩与脉冲激光器的周期性变化相吻合，促进了熔池内的热传递。在液态金属的凝固过程中，固液界面受到熔池搅动的影响，破坏了优先取向晶粒的生长行为，形成细晶粒结构或等轴晶粒。

图3. 原位脉冲激光辅助LAM

原位场辅助LAM

除了上述的原位场辅助LAM外，还有原位轧制、原位机械喷丸、原位热处理等技术。原位轧制的工作原理与热轧相同，控制轧辊和激光束之间的距离以调节轧制温度。这使得材料在较小的载荷下发生塑性变形，从而引起更多的位错和更细的晶粒。原位机械喷丸处理将瞬时载荷施加到LAM样品的表面，将拉应力转化为压应力。与原位轧制的强化机制类似，它会引起塑性变形，导致晶粒细化和位错在材料中积累。然而，原位机械喷丸还可以去除LAM过程中样品表面产生的氧化层，从而减少气孔和裂纹等缺陷的发生。原位热处理降低了LAM的温度梯度和冷却速率，减少了晶粒结构的不均匀性，并从源头释放了热应力。然而，由于原位热处理的热源施加在基材上，随着结构高度和激光能量的热量积累增加，原位热处理的温度难以控制，因此无法加工大型零件。