江蘇鐳射聯盟導讀：來自賓夕法尼亞大學的研究學者採用熱迴圈計算和Johnson-Mehl-Avrami 動力學的關係的關係可以預測在不同的工藝引數組合下鐳射直接沉積H13工具鋼部件不同位置的硬度,其預測結果童實際測量結果相吻合,同時還成果有望推廣應用到其他商業合金上.
成果簡介:
幾個關鍵的工業路徑來製造複雜形狀的部件，最為有優勢的是金屬列印技術，但該技術持續增長的應用需要對部件的顯微組織和效能進行很好的控制。許多工業引數都會隨著熱迴圈的變化造成的空間熱分佈的變化而影響著部件的顯微組織和效能。在這裡，我們為大家展示了工具鋼部件在不同部位的硬度的演化，採用計算熱迴圈的辦法和Johnson-Mehl-Avrami 動力學的關係來評估。計算得到的硬度同不同工藝引數條件下實驗測量得到的硬度是相吻合的。在特定的位置，硬度隨著熱迴圈的增加而持續下降。部件底部的層在沉積上部層的時候經受著持續的熱迴圈，其硬度隨著距離頂部的高度較遠而硬度降低。鐳射功率高和掃描速度慢時造成的高的熱輸入會導致冷卻速率低，溫度高，這更加有利於馬氏體的時效，從而的造成較低的硬度。由於提出的模型可以預測工藝引數變化時空間硬度的變化，該項工作可以作為一些增材製造部件時的定製硬度的工作基礎。
圖1 成果的Graphical abstract
研究背景:
在能量直接沉積過程中，獨特的三維金屬部件可以非常常規的透過鐳射或電子束依據電子資料檔案熔化輸送的粉末進行凝固，層層堆積而形成預設的部件，直接能量沉積增材製造技術廣泛的應用在航空航天，醫療和其他工業中。該技術應用的一個巨大的挑戰在於需要控制金屬部件的顯微組織和效能。儘管金屬部件的工藝引數-顯微組織-效能之間的關係被廣泛的進行研究，仍然沒有直接的辦法來很好的理解AM（增材製造）製造部件的顯微組織和效能的演化並進而實現控制。大量的引數變化，高度的瞬時溫度場，空間變化的熱迴圈以及熔池中的液相合金的運動均會影響凝固的模式和顯微組織以及效能的演化。此外，當金屬層沉積的時候，前一已經沉積層會被加熱和冷卻，這樣前一沉積層的顯微組織和效能就會發生變化。理解工藝引數變化，如鐳射功率和掃描速度的變化對部件顯微組織和效能的演化至關重要，這是因為它影響著製造部件的效能。
顯微組織的演化在熔化焊中使用功能強大的X射線同步輻射技術來研究了其相變的演化。這些研究結果提供了實驗條件下的晶體結構的變化，但並不能直接提供機械效能演化的直接資料。曾經有人嘗試測量鐳射DED過程中諸如空間硬度和空間機械效能的變化。沿著列印部件高度方向變化的硬度的顯著變化是由於列印部件的顯微組織的巨大變化造成的。然而，這些研究結果並不能揭示沉積過程中的硬度的變化。幾個動力學模型被用來預測馬氏體形成的動力學和時效馬氏體的相變。例如，在應用熔化焊雙相不鏽鋼的時候，硬度的變化採用Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎的模型來預測碳化物的孕育和生長機理。馬氏體時效動力學模型被用來預測在多道焊接鐵素體-馬氏體鋼時的硬度的變化。在增材製造過程中，基於Johnson-Mehl-Avrami 等式為基礎的動力學模型和顆粒粗化模型被用來解釋硬度的時間演化。這些基於熱迴圈的辦法監控是在AM製造過程中進行實施。然而，實驗確定的熱迴圈在一個部件的所有位置進行時是不可能的。此外，快速移動的微小的熱源來列印部件使得溫度的測量成為一個非常困難的任務。一個很好的辦法是在複雜的熱迴圈的過程中進行模擬來依據消耗的能量，動量，質量以及顯微組織和效能的變化來依據計算得到的熱迴圈來確定。這些計算需要離散化這些等式和解決上千萬的等式的計算且計算工作量很大。急需適宜的動力學等式來計算顯微組的演化和機械效能的變化。
在這裡，我們組合一個經過實踐檢驗的3D瞬時傳熱和流體流動模型和一個動力學模型來預測採用鐳射多層直接能量沉積進行製造的H13工具鋼的顯微硬度。傳熱和流體流動模型被用來精確的計算在部件的不同位置和不同工藝引數下的熱迴圈。不斷重複的加熱和冷卻在多層沉積時在部件不同位置隨時間的影響進行了研究。H13工具鋼的恆溫時效被用來計算相變動力學平衡的引數。傳熱流體流動模型，相變動力學和恆溫時效資料的合成提供了計算工藝引數變化對顯微組織和效能隨工藝引數變化的框架估計，這是目前其他手段所不能實現的。計算得到的硬度值使用獨立的實驗資料在不同的工藝引數下經過嚴格的測試。這一模型同時用來檢查了鐳射功率和掃描速度對硬度變化的影響。
研究所採取的策略
圖2 本次研究所採取的策略的示意圖。DED-L部件的硬度透過如下三個步驟來進行預測，首先，一個經過嚴格測試的，DED-L的3D傳熱和流體流動模型用來計算在特定位置的精確的熱迴圈。其次， Johnson-Mehl-Avrami (JMA) 等式給出總的馬氏體轉換隨著等溫相變時間的分數。結果顯示文獻中給出的硬度變化同相變分數成正比。因此，在這裡，樣品的硬度測量可以用來將相變（時效）動力學同溫度和時間相關聯，並且JMA引數可以從時間-溫度-時效資料中確定。基於H13工具鋼在不同溫度下的等溫時效資料，JMA等式中的常數就可以估計出來。最後，等溫JMA等式整合在計算熱迴圈中來計算硬度。
圖2 本研究所採用的測量流程圖。關鍵的組成部分為DED-L工藝，DED-L的機械模型（傳熱和流體流動）用來計算熱迴圈和H13工具鋼的等溫時效資料來預測JMA等式的常數。機械模型和JMA為基礎的動力學模型組合在一起來獲得預測的模型來估計DED-L過程中製造的H１３工具鋼部件的硬度。
圖３ ３D溫度和速度場在兩個 等角檢視（ａ）（ｂ）時使用DED－L H１３工具鋼進行傳熱模型進行計算得到的結果。鐳射引數為：鐳射功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。
圖４ 在長度方向平面（圖３中的XZ）在DED－L沉積H１３工具鋼時在中間寬度位置計算得到的溫度和速度場：(a) 1st, (b) 2nd, (c) 3rd和 (d) 4th層。為鐳射引數為：鐳射功率250 W ，掃描速度為 8.47 mm/s。(e)在沉積４層的時候在四個位置計算得到的熱迴圈。
圖５ (a) 在在採用不同的鐳射功率沉積第四層的時候，第一層所計算得到的熱迴圈；(b)在兩種鐳射功率條件下進行沉積第四層時計算得到的硬度。硬度值得計算為頂部得每層得中間長度和中間寬度得位置。所有得結果均為DED-LH13工具鋼得硬度結果，採用得加工引數為：掃描速度 8.47 mm/s。
結論
效能預測模型基於DED-L過程中的傳熱和流體流動模型和JMA為基礎的動力學模型來預測H13工具鋼部件的硬度。部件中不同位置的熱迴圈，基於傳熱和流體流動模型，經過獨立實驗結果進行了測試。H13工具鋼的等溫時效資料用來估計JMA等式的常數。ＪＭＡ等式整合之後計算得到的熱迴圈來預測H１３鋼的硬度。計算得到的硬度同獨立實驗得到的資料是吻合的。如下為主要結論：
(1)H13 工具鋼的硬度可以透過使用傳熱和流體流動模型來預測隨工藝引數的變化所得到的硬度，該模型為相變動力學和時效資料為基礎的。
(2)部件區域位置的硬度隨著能量強度，持續時間和重複的熱迴圈係數的增加而降低。在DED－L過程中的馬氏體的形成是高的冷卻速率造成的分解成時效馬氏體而造成的，這是因為時效包括多個熱迴圈。結果，部件的硬度降低。
(3)部件的底部層在隨後的沉積層的過程中經受著大量的熱迴圈，從而由於時效而造成硬度降低。因此，硬度隨著距離沉積層的距離而降低。
(4)由於鐳射功率高和掃描速度慢而造成的高的熱輸入會導致冷卻速率慢，從而硬度降低。此外，高的熱輸入造成在特定區域的溫度升高而形成時效馬氏體。由於以上原因，部件在高溫下製造時得到的硬度低。
這裡量化的測量方法也可以用來預測其他商業合金的硬度,如析出硬化鋼型別的鎳基高溫合金,至少在原理上是可行的.然而,由於這類合金複雜的時效特性,硬度的計算就不能直接進行.相似的工作需要發展這些合金的時效動力學才能整合到計算的熱迴圈當中.相似的硬度可以在部件的不同位置中結合顯微組織來實現.不能直接透過捕獲所有的相來計算硬度,由此在將來有大量的工作需要開展.由於硬度(強度)隨時間-空間的變化可以依據工藝引數的變化來預測.控制顯微組織和效能對每一種材料來說,至少對比較簡單的合金是可以實現的.
圖7 (a)H13工具鋼的連續冷卻轉變曲線;形成富Cr和富V碳化物在增材製造H13工具鋼的時候時效馬氏體的顯微組織;(c)沉積態中形成的馬氏體組織和(d)在部件的隨後的沉積過程中經受重複加熱和冷卻得到的時效馬氏體結構並同時伴隨著碳化物析出相
圖8 增材製造預測合金組織和形貌的一個案例
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116775
參考文獻:Building blocks for a digital twin of additive manufacturing,Acta Materialia,Volume 135, 15 August 2017, Pages 390-399,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.039