近幾十年來，形狀復雜零件的增材制造得到了大力發(fā)展。然而，盡管增材制造工藝多種多樣，包括選擇性激光熔化(SLM)、直接激光金屬沉積、電子束熔化和其他，但制造出的零件可能都包含有缺陷。這主要是與高熱梯度、高冷卻速率相關熔池凝固過程的特定特征，以及熔化和再熔化材料中加熱循環(huán)的復雜性相關，從而導致外延晶粒生長和顯著的孔隙率。

結果表明，有必要控制熱梯度、冷卻速率和合金成分，或通過各種性質(zhì)的外部場（例如超聲波）施加額外的物理影響，以實現(xiàn)精細的等軸晶粒結構。

圖 1：實驗裝置的功能示意圖（1. 激光；2. 激光束；3. 中性密度濾光片；4. 同步光電二極管；5. 分束板；6. 隔膜；7. 入射光束的熱

量計；8. 反射光束的熱量計；9. 入射光束功率計；10. 反射光束功率計；11. 聚焦透鏡；12. 鏡子；13. 樣品；14. 寬帶壓電換能器；

15.2D 轉換器；16. 定位微控制器；17. 同步單元；18. 多種采樣率的多通道數(shù)字采集系統(tǒng)；19. 電腦

激光超聲波及其基本原理

激光輻射入射到介質(zhì)上的熱效應是幾乎所有用于材料加工的激光技術基礎，例如切割、焊接、硬化、鉆孔、表面清潔、表面合金化、表面拋光等。值得注意的是，對介質(zhì)的任何非平穩(wěn)作用包括對吸收介質(zhì)的激光作用，都會導致聲波在介質(zhì)中以更高或更低的效率激發(fā)。

起初，研究人員將關注點主要集中在液體中波的激光激發(fā)和聲音的各種熱激發(fā)機制（熱膨脹、蒸發(fā)、相變期間的體積變化、收縮等）。在此前的研究中，激光激發(fā)超聲波在工業(yè)和醫(yī)學中得到了實際應用，激光超聲波檢測被用于SLM制造中的缺陷檢測。

激光產(chǎn)生的沖擊波對材料的影響是激光沖擊強化噴丸的基礎，這種技術當前用于增材制造零件的表面處理。然而，激光沖擊噴丸在與納秒激光脈沖使用時并對機械負載表面（例如具有液體層）最有效，因為機械負載會增加峰值壓力。

實驗裝置

研究人員通過實驗研究各種物理場對凝固材料微觀結構的可能影響。實驗裝置功能圖如圖1所示。研究團隊使用的是自由運行模式運行的脈沖Nd:YAG固態(tài)激光器（脈沖持續(xù)時間τL~150μs）。每個激光脈沖都通過一系列中性密度濾光片和分束板系統(tǒng)。目標上的脈沖能量從EL~20mJ 到EL~100mJ ，并取決于中性密度濾光片的組合。

從分束板反射的激光束被送入光電二極管，用于同步數(shù)據(jù)采集，兩個熱量計（長響應時間超過1ms的光電二極管）用于確定入射在目標上并從目標反射的光能，以及兩個功率計（響應時間短的光電二極管，小于10納秒）用于確定入射和反射光功率。

熱量計和功率計使用熱電堆探測器Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0和安裝在樣品位置的介電鏡進行校準，以給出絕對單位的值。使用透鏡將光束聚焦在目標物上（抗反射涂層在1.06μm，焦距160mm），目標表面為60–100μm。

圖 2：樣品背面的激光脈沖強度 (a) 和聲速 (b) 的時間分布，單個

激光脈沖的激光脈沖 (c) 和超聲波脈沖 (d) 的光譜（藍色曲線）平

均超過 300 個激光脈沖（紅色曲線）

超聲波處理如下進行。激光器以自由運行模式運行，所以激光脈沖的持續(xù)時間為τL~150μs，由許多較短脈沖組成，每個脈沖的持續(xù)時間約為1.5μs。激光脈沖的時間形狀及其光譜由低頻包絡和高頻調(diào)制組成，平均頻率約為0.7Hz，如圖2所示 。

低頻包絡提供加熱以及隨后材料的熔化和蒸發(fā)，而高頻調(diào)制提供由光聲效應產(chǎn)生的超聲波振動。激光產(chǎn)生的超聲波脈沖波形主要由激光脈沖強度的時間形狀決定，它在頻率從7kHz ~2MHz的范圍內(nèi)提供樣品的寬帶超聲處理，中心頻率為0.7Hz。使用由聚偏二氟乙烯薄膜制成的寬帶壓電換能器記錄了由光聲效應產(chǎn)生的聲脈沖。記錄的波形及其頻譜如圖2所示。

可以清楚地區(qū)分與激光脈沖的低頻包絡和高頻調(diào)制相對應的聲學處理的低頻和高頻調(diào)制。激光脈沖包絡產(chǎn)生的聲波波長超過40cm。因此，對微觀結構的主要影響預計來自聲信號的寬帶高頻成分。

熱載荷和變形載荷的宏觀模擬

SLM的物理過程很復雜，并且在不同的空間和時間尺度上同時發(fā)生。因此，多尺度方法最適用于SLM 理論分析。數(shù)學模型最初應該是多物理的。然后可以有效地描述與惰性氣體氣氛相互作用的多相介質(zhì)“固相-液相熔體”的力學和熱物理。SLM中材料熱負荷的特點如下。

加熱和冷卻速率高達106K/s，由于局部激光照射，功率密度高達1013W/cm2；熱影響區(qū)的大小與有效光束直徑相關；由于基板升溫，需要在單獨掃描之間選擇適當?shù)难舆t時間；熔化-凝固周期持續(xù)1ms~10ms，這有利于冷卻過程中熔融區(qū)的快速凝固。

樣品表面的快速加熱導致在表面層中形成高熱彈性應力。高達20%的粉末層被強烈蒸發(fā)，從而在表面上產(chǎn)生額外的壓力負載，以響應激光燒蝕。因此，引起的應變顯著扭曲了零件的幾何形狀，尤其是在支撐和薄結構元件附近。脈沖激光退火中的高加熱速率導致從表面產(chǎn)生的超聲波應變波傳播到基板。為了獲得有關局部應力和應變分布的準確定量數(shù)據(jù)，研究人員對與傳熱傳質(zhì)耦合的彈性變形問題進行了細觀模擬。

該模型的控制方程包括穩(wěn)態(tài)傳熱方程，導熱系數(shù)取決于相狀態(tài)（粉末、熔體、多晶體）和溫度，燒蝕和熱彈性膨脹后連續(xù)介質(zhì)彈性變形的波動方程。邊界值問題由實驗條件確定。定義了在樣品表面調(diào)制的激光通量。質(zhì)量通量是基于蒸發(fā)材料的飽和蒸氣壓的計算來定義的。在熱彈性應力與溫度差成正比的情況下，使用了彈塑性應力—應變關系。對標稱功率為300W，頻率105Hz的脈沖激光器參數(shù)進行了模擬，間歇系數(shù)為100，有效光束直徑為200μm。

使用宏觀數(shù)學模型對熔融區(qū)進行數(shù)值模擬的結果如圖3所示。熔融區(qū)的直徑為200μm，深度為4μm。模擬結果表明，由于脈沖調(diào)制的高間歇性因素，表面溫度隨時間變化了100K。加熱速率(Vh)和冷卻速率(VC)分別是107和106 K/s。這些值與之前的分析一致。

圖 3：在 316L 樣品板上進行單次激光脈沖退火的熔融區(qū)數(shù)值模擬結果。從 180μs 開始，熔池深度

達到最大值。等溫線 T=TL=1723K 表示液相和固相之間的邊界。等壓線（黃線）對應于作為溫度

函數(shù)計算的屈服應力。在兩個等值線之間的區(qū)域，固相承受強烈的機械載荷，導致微觀結構改變。

Vh和VC一個數(shù)量級的差異導致表面層快速過熱，其中對基板的熱傳導不足以去除熱量。結果，在t=26μs時表面的溫度峰值高達4800K。材料的劇烈蒸發(fā)會導致樣品表面承受過大的壓力并剝落。

這種效應在圖4(a)中得到進一步解釋，其中熔融區(qū)中的壓力水平被繪制為時間和距離表面的函數(shù)。首先，壓力行為與上面圖2中描述的激光脈沖強度的調(diào)制相關。最大壓力約10MPs（時間大約t=26μs）。其次，控制點的局部壓力波動具有與500kHz頻率相同的振蕩特征。這意味著超聲波壓力波在表面產(chǎn)生，然后傳播到基材中。

圖 4：(a) 在距離表面 0、20μm、40μm 處距離，沿對稱軸計算壓力作為時間的函數(shù)；(b) 在距

離樣品表面 70μm、120μm、170μm 處距離，米塞斯應力作為固體基底中計算的時間函數(shù)

計算得到的熔融區(qū)附近變形區(qū)的特征如圖4(b)所示。激光燒蝕和熱彈性應力產(chǎn)生的彈性變形波傳播到基板中。從圖中可以看出，應力的產(chǎn)生有兩個階段。在第一階段t<40μs，米塞斯應力（Mises stress）上升到8MPa，其調(diào)制類似于表面壓力。這種應力是由于激光燒蝕而發(fā)生的，并且在控制點中沒有觀察到熱彈性應力，因為最初的熱影響區(qū)域太小。當熱量消散到基材中時，在控制點中形成了高達40MPa的熱彈性應力。

圖 5：子圖 (a、d、g、j) 和 (b、e、h、k)——激光熔化區(qū)域的微觀結構，子圖 (c、f、i、l)——有色晶粒的區(qū)域分布。

著色表示用于計算直方圖的顆粒。顏色對應于晶粒區(qū)域（參見直方圖頂部的顏色條。子圖 (a-c)對應于未經(jīng)處理的不銹鋼，

子圖 (d-f、g-i、j-l ) 分別對應于樣品的 1 次、3 次和 5 次重熔。

獲得的調(diào)制應力水平對固液界面有重大影響，并可能成為控制凝固路徑的控制機制。變形區(qū)的尺寸超過熔化區(qū)的2到3倍。圖3顯示了熔融等溫線的位置和等于屈服應力的應力水平。這意味著，脈沖激光照射為局部區(qū)域提供了高機械載荷，有效直徑在300μm~800μm之間，取決于瞬時時間。

因此，脈沖激光退火的復雜調(diào)制導致了超聲波效應。與無超聲加載的SLM相比，其微觀結構選擇途徑不同。不穩(wěn)定變形區(qū)導致固相中的周期性壓縮和拉伸循環(huán)。因此，形成新的晶界和亞晶界將成為可能。因此，可以有意改變微觀結構特征。所得結論為脈沖調(diào)制誘導超聲驅(qū)動SLM樣機設計提供了可能性。在這種情況下，就不需要使用其他壓電感應器。

結果與討論

實驗在AISI 321H不銹鋼板上進行，尺寸為20×20×5mm3。每當一次激光脈沖照射后，實驗基材會移動50μm，目標表面的激光束腰約為100μm。沿同一軌道進行5次光束通過，促使處理材料重熔，以達到晶粒細化的目的。

圖 6：連續(xù)波激光（300 W 恒定功率，200 mm/s 掃描速度，AISI 321H 不 銹 鋼）

激光熔化區(qū)域的微觀結構

在所有情況下，研究人員都對重熔區(qū)進行了超聲波處理，這取決于激光輻射的振蕩分量。這導致平均晶粒面積減少了5倍以上。圖5顯示了激光熔化區(qū)域的微觀結構如何隨著重熔循環(huán)（通過）次數(shù)而變化。

由于激光脈沖能量在隨后的光束通過之間沒有變化，所以熔化區(qū)的深度是相同的。因此，隨后的通道完全“覆蓋”了前一個通道。然而，圖5中的直方圖顯示了晶粒面積的平均值和中值隨著通過次數(shù)的增加而減小，這可能表明激光作用于基材而不是熔體。

晶粒細化可能由熔池的快速冷卻引起。研究人員進行了另一組實驗，將不銹鋼板（321H和316L）表面經(jīng)過連續(xù)波激光輻射并暴露于大氣（圖6）和真空（圖7）中。平均激光功率（分別為300W和100W），熔池深度與Nd:YAG激光器在自由運行模式下的實驗結果接近。

圖 7：(a) 顯微組織和(b) 連續(xù)波激光（ 恒功率100 W，掃描速度 200 mm/s，AISI 316L 不銹鋼） 

在真空中激光熔化區(qū)的電子背散射衍射圖像~2mbar 

實驗表明，激光脈沖強度的復雜調(diào)制對所得微觀結構具有顯著影響。研究人員認為這種影響是機械性質(zhì)的，并且是由于從熔體的輻照表面?zhèn)鞑サ綐悠飞钐幍某暡ㄕ駝拥漠a(chǎn)生而發(fā)生的。

正如在超快原位同步加速器X射線成像中證明的那樣，強烈的超聲可能會導致聲空化。空化氣泡的破裂反過來在熔融材料中產(chǎn)生沖擊波，其前端壓力達到約100MPa。這種沖擊波的強度可能足以促進液體中形成臨界尺寸的固相核，從而破壞增材制造中的柱狀晶粒結構。

圖 8：AISI 316 級奧氏體不銹鋼的屈服應力和用于分子力學模擬的模型

成分與溫度關系

對此，研究人員提出了另一種通過強超聲進行結構修飾的機制。剛凝固后的材料處于接近熔點的高溫，具有極低的屈服應力。強超聲波可能導致塑性流動改變剛凝固的熱材料晶粒結構。為了驗證假設，研究人員對類似于AISI 316L鋼的Fe-Cr-Ni成分進行了分子動力學模擬，目的是評估熔點附近的屈服應力行為。

為了計算屈服應力，研究人員使用了分子動力學剪切應力松弛技術。對于原子間相互作用計算，使用了嵌入式原子模型，并使用計算機LAMMPS代碼進行分子動力學模擬。作為溫度函數(shù)的屈服應力的MD計算結果與可用的實驗數(shù)據(jù)和其他評估一起呈現(xiàn)在圖8中。

可以看到，當溫度超過1500K時屈服應力降至40MPa以下。另一方面，估計激光產(chǎn)生的超聲振幅超過40MPa（圖4 b），這足以在剛凝固的熱材料中引起塑性流動。

作者：Ivan A. Ivanov、Vladimir S. Dub、Alexander A. Karabutov等

來源：Scientific Reports