镍钛合金增材制造工艺图的预测分析建模与实验验证（2）
时间：2022-04-12 15:52 来源：江苏激光联盟 作者：admin 阅读：次
3. 结果和讨论
3.1. 熔池尺寸的分析预测
图3（a）显示了温度等值线图和熔池边界（由黑线表示）的示例，其中250 W激光功率和1250 mm / s扫描速度产生的热输入。根据E-T模型解析解的热结果，可以计算熔池尺寸。熔池宽度和长度作为激光功率（P）和扫描速度（v）的函数分别如图3（b）和（c）所示。可以看出，熔池的宽度和长度随着激光功率的增加或扫描速度的降低而增加（图3（b）和（c）），这意味着P和v都是对熔池构型和各激光轨迹内的热场有显著影响的参数。
图 3（a）温度等值线（用g绘制）和熔池边界（用黑色实线表示）的横截面图来自 E-T 模型;（b）熔池宽度和（c）长度作为激光功率和扫描速度的函数。
为了验证E-T模型的准确性，进行了实验验证。图4（a）说明了E-T模型在预测熔池宽度方面的适用性，而图4（e）–（h）显示了熔池宽度的实验结果，可以看出，该结果与从分析溶液中获得的值非常匹配。熔池宽度的最小和最大预测误差分别为~3%和~9%，这表明E-T模型预测熔池宽度的合理准确性。图4（b）显示，E-T模型（带有实心杆符号的红色虚线）低估了熔池深度。由于Eagar-Tsai模型旨在描述传导模式激光熔化并假设恒定的热物理性质，如果L-PBF从热传导变为锁孔模式，则很难获得准确的熔池深度估计，特征为高能输入条件。如图4（b）所示，G-S模型（带有开放圆圈的紫色虚线）在预测熔池深度方面比E-T模型具有更好的精度。G-S模型预测的深度与实验测量的深度之间的最大偏差约为23%，这大大低于E-T预测深度的约50%的偏差。因此，G-S 模型进一步用于预测熔池深度。由G-S模型预测的具有各种激光功率和扫描速度的熔池深度如图4（c）所示。
图4 E-T模型和G-S模型预测的熔体池(a)宽度和(b)深度的实验测量比较;(c)基于G-S模型，熔池深度与激光功率和扫描速度的关系;(d)匙孔诱导的孔隙形成过程图;(e)-(h)用相同的激光功率和不同的扫描速度制备的L-PBF镍钛诺的截面，显示熔池特性。
由于难以测量熔池长度，并且缺乏文献中的可用数据，因此很难在计算结果和实验结果之间进行直接比较。正如Prompoppatum等人报道的那样，如果在E-T模型中仅使用室温热属性，并且温度与热扩散率之间存在正相关关系，则熔池长度将被高估。他们提出了一个校正因子来补偿缺乏温度依赖性属性，从而提高了熔池长度的预测精度。遵循类似的策略，并考虑到熔池周围的粉末具有接近熔点的事实，在E-T模型中使用了镍钛诺的高温（接近熔点的1500 K）热特性来提高预测准确性。熔池长度的验证将结合球状现象在第3.3节中进一步讨论。
３．２．处理地图和实验验证
如上所述，该分析方法可以合理准确地估计熔池尺寸和匙孔的发生。因此，结合2.1节介绍的缺陷形成准则和分析方法预测的熔体池尺寸，可以绘制出镍钛合金L-PBF的加工图。图5描述了具有四种线性能量密度条件的处理图。不同加工条件下制备的Nitinol试样的实验结果见表2，如图5所示。
图5 镍钛诺l - ppbf的处理图，显示了不同处理参数制作的样品的实验数据的位置。
根据这些加工窗口（图5），激光功率应在50-320 W的范围内，以允许制造全致密的镍钛诺零件。除了创建无缺陷零件外，还应考虑构建率（BR）。
根据第2.1节中介绍的缺陷标准，锁孔引起的孔隙和球体主要取决于热输入相关参数（激光功率，扫描速度和激光束大小）和热物理性质。对于镍钛诺和恒定的激光束直径为80μm，锁孔诱导的孔隙和球的制度可以通过激光功率和扫描速度来确定。因此，锁孔诱导的孔（左上角）和球状（右上角）有固定的机制，如图5所示。
熔融的缺乏取决于熔池尺寸（与激光功率和扫描速度有关）、舱口距离和层厚度。因此，这些参数可用于确定处理图中缺乏融合边界（如图5所示）。
图5（a）显示，随着舱口距离的增加（从100到140μm），完全致密区域变窄，同时保持30μm的恒定层厚度，样品A1，A2和A3在加工图中共享相同的位置（图5（a）），因为它们是用相同的激光功率250 W和1250 mm / s的扫描速度制造的。图5（a）接近球状和缺乏融合的边界。
图5（b）显示了样品A4、A5和A9的处理图，其舱口距离从120到187μm不等，扫描速度较低，为800 mm/s（与图5（a）中的1250 mm/s相比）。可以看出，全致密区域随着舱口距离的增加而减小。样品A9属于缺乏融合状态（图5（b）中黑色虚线包围的纯绿色区域）。
如图5（c）所示，一旦选择了剖面线距离和层厚度，就可以确定完全致密区域（纯绿色区域）的边界。A3、A5 和 A7 的位置取决于施加的线性能量密度。
图5（d）显示了与舱口距离和层厚度同时变化相对应的处理图。h = 120和t = 75μm的完全致密区域由蓝线表示（图5（d）），h = 140和t = 60μm的区域由黑色破折号线表示（图5（d））。样品 A6 和 A8（在加工图中共享相同位置，并以白色标记）以 250/500 （J/mm）的高线性能量密度制造，并且都容易受到锁孔诱导的孔隙形成的影响（图 5（d））。
第一种成球现象的示意图，其特征是由有限的液体形成引起的粗球形烧结团。
液相的形成量取决于烧结系统的工作温度，在单线扫描时，由激光功率和扫描速度两个主要参数控制。在一定的扫描速度下，超固相烧结温度随着激光功率的降低而降低，导致液相的生成量减少。因此，液固混合物的粘度变得相当高，妨碍了液体流动和颗粒重排。这反过来又降低了液体与固体颗粒结合时的整体流变性能。因此，每个光点辐照区的熔融物质倾向于聚集成一个单独的粗化球体，其直径约为激光束的直径。这种球化现象的起始过程如上图所示。在这种情况下，相邻球之间无法获得有效的结合，因为有限的液体量阻止了金属团聚体之间烧结颈的充分生长。另一方面，低激光功率导致熔体过冷度受限。因此，这些固化球的表面层形成了粗化、不连续的枝晶结构，这是激光烧结粉末的固有弱点。
为了定量评价L-PBF NiTi零件的致密化程度，将相对密度为99%的阈值定义为较好的致密化水平。如图6所示，A2和A8样品的Ev为56 J/mm3, A7样品的Ev为99 J/mm3，可以得到较好的致密。这些结果表明，体积能量密度可以作为制备致密Nitinol零件的粗略指南。然而，由于Ev作为描述L-PBF的设计参数在估算L-PBF零件相对密度方面的精度较低，其适用性受到限制。
图6 测量了不同工艺参数制作的L-PBF镍钛诺样品的相对密度随体积能量输入的函数(黑色虚线标出相对密度99%的阈值，表示较好的致密化水平)。
3.3 球化现象的表征
成球是典型的L-PBF工艺缺陷。由于L-PBF是逐行逐层进行的。球化会导致激光珠的不连续性，并阻碍后续粉末层[22]的均匀沉积。因此，在进行工艺优化时，应仔细考虑影响球化的因素。
图7显示了相同线性能量密度(250/1250 J/mm)，但不同舱口距离的A1-A3样品的顶表面。A3(开口距离为140µm)(图7(c))中可以看到小尺寸球化和小间隙的激光轨迹，这意味着250/1250µm (J/mm)的线能密度和140µm的开口距离接近球化起始边界。结果也与我们的预测一致(图5(a))。从而证明了熔池尺寸解析预测在估算球化效果方面的可行性。
图7 (a) 100µm， (b) 120µm， (c) 140µm， (d) A1-A3样品熔体池宽度和高度的重叠率。
如图7所示，缩小舱口距离可以很好地缓解成球效应。与其他样品A4-A9相比，A3试样在恒定的激光功率(250w)和较高的扫描速度(1250 mm/s)下产生了球化效应，导致了熔池的不稳定性，熔体倾向于具有较大的表面能。因此，形成了由若干个小球组成的粗糙激光轨迹。
由于重叠比增加（图7（d）），通过减少舱口距离诱导，能量输入增加和先前轨道的重新熔化得到增强，这可以降低熔体的粘度。
为了更好地理解L-PBF Nitinol合金中的球化现象，制作了不同开口距离(图5(b))和线性能量密度(图5(c))的样品。如图5(b)所示，采用激光功率为250 W、扫描速度为800 mm/s的加工参数，可以避免小孔引起的气孔和球化。正如预期的那样，随着线性能量密度的增加，扫描速度的降低(图8(a) - (f))，产生了连续的、无球化的激光轨迹，这是由于有足够的液体形成和熔体粘度的降低。然而，应该注意的是，尽管球化现象被消除，但裂纹被引入。与250/1250 (J/mm)线性能量密度制备的Nitinol样品的球化效应相似，250/800 (J/mm)线性能量密度制备的Nitinol样品的球化效应也随着开口距离的减小而减弱(图9(a) - (f))。
但A4试样仍有裂缝(在El为250/800 (J/mm)时，缺口距离缩小至120，如图9(a)和(d)所示)。考虑到裂纹对AM零件的严重负面影响，特别是对极限功能性能、疲劳寿命和断裂韧性的影响，应尽量避免裂纹。因此，在目前的工作中，优化了线能密度El为250/1250 (J/mm)，并通过缩小舱口距离来控制成球。L-PBF Nitinol零件的裂纹形成将在第3.6节中讨论。
图8 (a)和(d) El = 250/1250 (J/mm)的A3试样;(b)和(e) El =250/800 (J/mm)的A5样品;(c)和(f) El = 250/600 (J/mm)的A7试样。
图9 扫描电镜(SEM)显示了不同开口距离、恒定线能密度为250/800 (J/mm)的L-PBF Nitinol合金的表面形貌:(a)和(d) h = 120 μ m的A4试样;(b)和(e) h = 140 μ m的A5样品;(c)和(f) h = 187 μ m的A9样品。
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