供稿人:張金智 張安峰 發(fā)布日期：2017-09-07
激光增材制造（Laser Additive Manufacturing,LAM）技術(shù)目前被應(yīng)用于快速成型、涂層、工裝和零件修理、新合金的包覆和設(shè)計(jì),以及功能梯度材料等各個(gè)方面。細(xì)等軸晶粒對(duì)于激光增材制造零件有兩點(diǎn)好處：第一，在沉積過(guò)程中，細(xì)晶粒有助于降低對(duì)裂紋的敏感性；第二，細(xì)晶?？筛纳其摵筒讳P鋼的沉積層的延展性和斷裂韌性。一般來(lái)說(shuō)，快速凝固和高冷卻速率會(huì)得到精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的Farshidianfar等人研發(fā)了一種閉環(huán)實(shí)時(shí)熱監(jiān)測(cè)裝置，利用冷卻速率、掃描速度和熔覆層微觀組織的關(guān)系，建立了一種新穎的反饋PID控制器來(lái)控制冷卻速率，通過(guò)調(diào)整掃描速度保持所需位置的冷卻速率。裝置中包括德國(guó)耶拿IR-TCM 384相機(jī)模塊，分辨率為384×288 像素，測(cè)量精度為±2%，用于監(jiān)測(cè)激光增材制造的熱過(guò)程，紅外熱成像可以直接實(shí)時(shí)測(cè)量熔池的冷卻速率和溫度。
圖1 激光增材制造裝置示意圖
圖2 紅外熱成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋原理圖
研究人員使用粒度325目以上的316L不銹鋼粉末，AISI 1030中碳鋼基材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。熱成像圖形中，最大RGB值的像素點(diǎn)代表熔池。熔池溫度是將最大元素值與圖像陣列內(nèi)的環(huán)繞元素的值取平均值。在凝固過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，熔池的溫度降低，從而計(jì)算出冷卻速率。
圖3 試樣冷卻速率a）和 熔池溫度b），用于研究冷卻速率對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演化的影響： B1（v = 25mm/min），B2（v = 50mm/min），B3（v = 100mm/min），B4（v = 200mm/min）
表1 試樣平均冷卻速率和熔池溫度
圖4 高倍顯微鏡下的試樣晶粒尺寸
表2 試樣的晶粒大小
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶粒尺寸與實(shí)時(shí)冷卻速率之間存在顯著的相關(guān)性。每單位面積晶粒數(shù)隨冷卻速率的增加而增加，另一方面，晶粒直徑隨冷卻時(shí)間的增加而減小。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速率對(duì)以下幾方面有直接影響：（1）微結(jié)構(gòu)中奧氏體和鐵素體相的體積百分比，（2）這些相的形成和生長(zhǎng)（3）晶界和晶粒尺寸。