摘要：PBF-LB（粉末床熔融激光烧结）是主流金属增材制造技术之一，能够制造复杂形状和高精度的零件，同时无需传统制造中的模具或切割工具，显著扩展了设计的可能性。PBF-LB生产的无缺陷材料的力学性能主要由其微观结构决定，因此在制造过程中对微观结构进行原位调控（如晶粒

来自山东大学的研究人员在国际期刊Additive Manufacturing上发表论文In-situ tailoring the microstructure and properties of dual phase highentropy alloys with molten pool element mixing modulation by alteringlaser parameters in laser-powder bed fusion。

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引言

PBF-LB（粉末床熔融激光烧结）是主流金属增材制造技术之一，能够制造复杂形状和高精度的零件，同时无需传统制造中的模具或切割工具，显著扩展了设计的可能性。PBF-LB生产的无缺陷材料的力学性能主要由其微观结构决定，因此在制造过程中对微观结构进行原位调控（如晶粒细化和柱状到等轴晶的转变）对于生产具有不同力学性能要求的复杂零件非常有益。目前，研究主要集中在通过预合金粉末实现微观结构调控，但原位合金化技术正在兴起，通过在激光制造过程中直接混合不同元素的粉末，可以实现更复杂的微观结构和性能调控。

Laser & Electron Beam Processing

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全文概述

作者通过调节激光处理参数来调节微米级元素混合，从而在原位定制高熵合金（HEAs）的微观结构和性能的方法。研究了激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中激光处理参数对通过原位合金化 AlSi10Mg 和 FeCoCrNi 混合粉末制备的合金的微观结构和性能的影响。实验结果表明，在合理的处理参数窗口内，降低体积能量密度（VED）会导致体心立方（BCC）相含量和位错密度增加，晶粒从柱状向不规则转变，以及晶粒尺寸减小。此外，在恒定的 VED 下同时降低激光功率和扫描速度也会增加 BCC 相含量和位错密度。因此，可以在原位合金化过程中定制机械性能和强化机制。此外，还进行了单道熔融的数值流体动力学（CFD）模拟，以揭示该方法背后的机制。 结果揭示，降低激光功率和增加扫描速度会降低元素混合能力。在相同的 VED 下，降低激光功率的降低效果超过了降低扫描速度对元素混合的促进作用。这些因素从根本上决定了微观结构和性能的变化。这项工作可以为 PBF-LB 原位合金化提供指导，以实现微观结构和性能的原位定制。

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图文解析

图 1 XRD 和 EBSD 结果表明，PBF-LB 原位合金化制备合金时，不同参数下合金均由 FCC 和 BCC 相组成，BCC 相强度受激光参数显著影响。调整激光功率和扫描速度改变 VED，BCC 相含量发生变化；同时改变两者保持 VED 不变，BCC 相含量也变。EBSD 相图显示，不同 VED 条件下 BCC 相含量及分布不同。

图1. (a)在三种加工参数下制备的样品的XRD图样。(b)根据XRD图样和EBSD数据分别计算出的BCC相的体积分数。(c、d、e)分别在三种加工参数下制备的样品的EBSD相图。在这些相图中，FCC相用红色表示，BCC相用蓝色表示。

图2展示了晶粒形态和取向受激光 VED 影响，高 VED 样品利于柱状晶粒形成且纹理明显，VED 降低时晶粒变细小、取向均匀，在相同 VED 下改变激光功率和扫描速度组合对晶粒形态影响较小。

图2. (a、b、c)左侧显示了在三种加工参数下制备的样品的EBSDOIM。观察平面是平行于BD的侧表面。中间是与各参数对应的FCC相的{111}、{100}和{110}极点图。右边显示的是BCC相中每个参数的{111}、{100}和{110}极值。

图3呈现了熔池不同位置的温度场、流速场及Al浓度场模拟结果，展示了熔池内流体流动和铝粉熔化、混合的动态过程。

图3. (a)、(b)和(c)分别展示了工艺参数设置为200W700mm/s时，熔池前端、中端和末端垂直于扫描方向的截面温度场、流体速度场以及 Al 浓度场模拟结果。

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结论

本文结论如下：

1.在合理的工艺参数下，通过调整PBF-LB加工参数以降低VED，可实现BCC相含量的显著增加、晶粒尺寸的减小、晶粒形态由柱状晶粒向细小晶粒的转变以及位错密度的增加。相应地，合金的屈服强度提高了21%，抗拉强度提高了16%。

2.CFD模拟结果表明，VED的降低会导致熔池尺寸、温度、流体速度和寿命的减少。因此，这种降低会削弱元素的混合能力，促进富铝区域的形成，进而在凝固过程中形成BCC相。BCC相的存在阻碍了FCC晶粒的外延生长，导致从柱状晶粒过渡到更细的晶粒。此外，由于混合不均匀性增加而导致的铝浓度梯度增大，也是造成位错密度上升的原因之一。这些因素是VED降低时机械性能增强的主要原因。

3.在相同VED下，同时降低激光功率和激光扫描速度，可实现BCC相含量和位错密度的增加，从而使合金的屈服强度和抗拉强度分别提高15%和8%。CFD模拟结果表明，在从高VED参数过渡到低VED参数的方法中，降低激光功率比提高扫描速度更能有效降低熔池中元素的混合能力。

4.在PBF-LB工艺的合理参数范围内，不同参数的合金都表现出L-C锁定强化机制，但主要强化机制存在显著差异。低VED参数合金的主要强化机制是BCC相诱导的HDI强化，而高VED参数合金的主要强化机制是变形微带。

laizi :高能束加工技术

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟