武汉大学《JMPT》新型液态金属辅助增材制造！实时

　　导读：金属增材制造(AM)涉及快速的熔化和凝固循环，通常会导致显著的热应力变化，微裂纹的形成，以及结构完整性的损害，特别是对于复杂的结构。在激光金属增材制造过程中，有效的策略是调节温度和应力分布的关键;然而，传统的热管理方法在作用范围和响应速度上受到限制。本研究开发了新型液态金属辅助增材制造(LMAAM)工艺，以增强沉积过程中的实时温度和应力控制。这是已知的第一次尝试利用液态锡作为增材制造的辅助热管理材料。通过数值模拟和实验分析，确定了LMAAM工艺条件与材料微观组织性能之间的关系。结果表明，与没有主动热管理的增材制造相比，加入液态锡的增材制造的冷却速度提高了约20%，残余拉伸应力降低了约30%，部分晶粒尺寸减小了约30%，显微硬度提高了约30%。LMAAM技术为高可靠性和复杂结构的金属增材制造(如多室、多通道和深盲孔)开辟了新的可能性。

　　在基于激光的金属增材制造(AM)过程中，激光热源与材料之间的相互作用涉及快速加热和冷却，导致显著的温度变化。由于传热滞后引起的材料温度分布不均匀，导致应力分布的变化。由此产生的热和机械失配会导致微裂纹的萌生和扩展，最终影响添加剂沉积的耐久性。因此，研究激光金属增材制造过程中沉积层内热分布的调节策略势在必行。

　　在添加过程中调节沉积中的热量分布可以有效地缓解材料中的热量和力不匹配，降低热裂纹萌生的可能性。以往的研究主要集中在优化增材制造工艺参数以实现热管理。例如，Chen等人研究了层厚、扫描策略和预热温度等加工变量对沉积层内残余应力的影响，并成功地实现了降低。Neikter等人研究了激光功率、扫描速度和间距对JBK-75奥氏体不锈钢热成形质量和力学属性的影响，最终确定了最佳工艺参数。然而，在实际实施过程中，多工艺参数的协调和高试错率带来了挑战。另一种方法包括调整沉积的元素组成来调节热量和力的分布。

　　例如，Chen等人利用激光粉末床熔合将稀土元素钇(Y)加入到2024合金中，从而降低了合金的脆性和凝固裂纹敏感性。Li等人研究了铒对激光粉末床熔合7075铝合金显微性能和力学性能的影响，强调了铒对柱状晶体生长、液膜分散和材料抗拉强度增强的影响。Li等人将NbC纳米颗粒引入CoCrFeMnNi高熵合金中，大大提高了其热稳定性和机械稳健性。此外，Li等人将TiCN纳米颗粒掺入AZ91D镁合金中，以调节激光增材制造过程中熔池内的传热和传质，从而产生一种超越传统强度-延性权衡的结构材料。然而，引入额外的元素可能会导致次生金属间化合物的形成，这在保持组合物清洁度至关重要的情况下是不合适的。在AM过程中，熔池的热行为也可以通过光束整形来人为地控制。例如，Tumkur等人在激光AM中使用贝塞尔光束代替传统的高斯光束，发现贝塞尔光束稳定了熔池内部的湍流，增加了凝固时间。Roehling等人椭圆光束与高斯光束进行了比较，发现椭圆光束制备的样品具有更多的等轴晶体和良好的热分布。然而，在大型结构的制造中，过长的操作时间仍然不可避免地导致热量积聚。

　　在此，武汉大学技术科学研究所张晓晗教授团队进行了研究，相关研究成果以题为《用于增材制造中实时热控制的创新液态金属策略》发表在期刊《材料加工技术学报》上。

　　提出的LMAAM过程如图1(a)所示。选择锡(Sn)作为辅助热管理材料，是因为锡在液相中具有出色的导热性和流体特性，可以在实时加工过程中有效地粘附在金属镀层上。激光增材制造的原料为Ti6Al4V合金，直径为1.2 mm。在Ti6Al4V焊丝上涂上惰性涂层，以防止在LMAAM过程中锡与沉积结构之间发生化学反应。AM工艺的衬底为尺寸为40mm×20mm×2mm的Ti6Al4V片材。衬底和导线的主要成分详见补充材料表S2和表S3。实验研究采用深圳迈光激光有限公司生产的MFSC-1000X单模连续光纤激光器。薄壁制造采用三坐标移动平台和“S”形沉积策略。热板保持在250°C，确保液态金属的温度稳定。操作顺序如下:将基板放置在加热平台上方的玻璃容器内。加热平台被激活并升高到锡的熔点，持续5分钟。AM工艺在基板上方启动。当沉积达到一定高度时，液体锡沿着容器壁被引入容器(图1(b))。液锡液面与镀层顶部之间的间距影响热、力分布。本研究讨论了该距离(d)对沉积物热行为的影响(图1(c)-(d))。采用计算流体动力学方法获得含锡和不含锡Ti6Al4V钛合金的温度场和速度场。与不含锡的沉积层相比，用锡作为辅助热管理材料形成的沉积层表现出更低的平均温度、更小的熔池尺寸和更高的熔池流速(图1(e)-(h))。然而，由于计算流体力学的限制，从温度场到应力场的转换仍然不清楚。在前人研究的基础上，旨在通过建立热弹塑性有限元模型揭示锡辅助Ti6Al4V钛合金镀层激光增材过程中的温度场和应力场分布

　　本文建立了三维瞬态有限元模型来模拟材料在LMAAM过程中的动态热力学行为。有限元模拟区域及网格划分如图2所示。具体而言，模拟域的衬底测量为40 mm×40 mm×5 mm，而沉积的测量为40 mm×4 mm×8 mm，层厚为0.8 mm。通过实现元素的生灭方法，模拟了LMAAM过程。在LMAAM开始时，所有沉积元素都被定义为惰性元素。随着添加过程的展开，这些沉积元素随着沉积速度逐层被逐渐激活。沉积元件(绿色)的尺寸设置为0.4 mm。为了提高模拟的精度，在不同材料的边界区域采用了更细的网格。对于衬底，与沉积物相邻的元素(红色)和与沉积物相邻的纯锡金属单元(紫色)，尺寸均匀设置为0.8 mm。在其他领域，元件尺寸保持在1毫米的标准。

　　增材制造中沉积层的热行为对其成形质量有显著影响。本节重点研究了液态锡添加量对样品温度场的影响，并进一步探讨了锡位与样品顶部距离对结构温度分布的影响规律。图3显示了不同工艺制备样品的预测瞬态温度场。为了便于观察堆积物的温度分布，将有限元模型中的锡元素隐藏起来。在激光照射材料的瞬间，材料呈现出清晰的温度梯度分布。锡辅助样品的峰值温度低于无锡样品的峰值温度。随着锡液面减小，试样的峰值温度逐渐升高。有锡样品和无锡样品之间的热交换有差异。在不含锡的情况下，试样的传热方式为自身热传导和试样与外界环境之间的对流换热。在液态锡辅助的情况下，样品的传热方式增加了样品与锡之间的对流换热，这无疑增加了样品本身的热损失，导致样品的峰值温度降低。随着锡液面距离样品顶表面位置的增加，锡与样品实际换热的有效面积减小，导致样品热损失减少，样品峰值温度升高。图4显示了不同工艺制备样品的预测熔池。熔池呈“勺子”状，池内温度梯度分布明显，这与熔池空间温度分布和冷却速度的差异有关。熔池纵剖面的形貌见附录A补充材料。就熔池尺寸而言，不含锡的样品比含锡的样品大，并且随着锡液面降低，熔池尺寸逐渐增大。熔池的特征尺寸与样品本身的热传递密切相关。激光直接照射区域与其他区域的温差越大，两者之间的换热就越充分，熔池的大小也就越小。在增材制造中使用锡作为辅助热管理材料，有效地促进了样品的热传递，减小了熔池尺寸。

　　增材制造过程中产生的残余应力是造成材料翘曲、变形和开裂的主要原因。图6为不同工艺样品的残余应力场。残余应力在试样不同部位的分布和取值不同。残余拉伸应力主要集中在涂层中。通过添加锡并有策略地调整锡液面，试样中的残余拉伸应力可降低30%，这与Sun和Dilger采用原位预热热管理方法得到的试样中残余应力的变化趋势一致。随着锡液面减小，残余拉应力分布面积和峰值逐渐增大。图7显示了不同工艺制作样品的应变。应变与残余应力呈正相关。在增材制造过程中，材料内部的热分布不均匀，引起不协调的变形和热应力。当材料内部的热应力超过屈服极限时，就会发生变形且难以恢复，从而产生残余应力。锡作为辅助热管理材料的引入，促进了镀层的热扩散，提高了温度分布的均匀性，有效地减少了镀层的不协调变形，降低了有害残余应力。随着锡液面减小，与镀层的实际热作用面积减小，增材过程中镀层的热积累更加明显，导致不均匀变形增大。监测路径残余应力分布如图8(a)所示。此处监测路径位置与图5(a)一致。采用锡作为增材制造的辅助热管理材料，可以降低有害残余拉伸应力。而锡-试样相互作用的位置影响了镀层的残余应力。为了有效降低试样的残余拉应力，锡液面与试样顶部的距离应保持在2.4 mm以下。增材制造中的热积累导致变形不协调，增加了裂纹等缺陷萌生的可能性。通过引入液态金属，可以实现良好的液固换热，提高了沉积过程中温度分布的均匀性，降低了残余拉应力，降低了裂纹出现的概率(图8(b)-(c))。

　　图8所示。残余应力对镀层缺陷的影响。(a)残余应力分布;(b)无锡/热和力分布;(c)有锡/热和力分布。

　　本研究开发了新型LMAAM工艺，实现了金属沉积过程中温度和应力场的实时控制。数值和实验相结合的分析探讨了在增材制造过程中使用液态锡作为辅助热管理材料的潜在效益。主要研究结果总结如下:

　　（1）在增材制造过程中加入液态金属锡，使镀层的冷却速度提高了约20%，峰值温度降低了约400℃。添加锡的熔池尺寸比不添加锡的熔池小，并且减少了飞溅。这可能归因于锡和沉积物之间的热交换，这增强了熔池吸收激光能量的能力。

　　（2）通过有策略地调整锡位位置，有效地缓解了由于堆积层内热量积累而导致的温度分布不均匀性。这种调整有助于减少大约30%的残余拉伸应力和缓解结构变形。值得注意的是，当锡层与镀层顶部的距离保持在2.4 mm以下时，残余拉应力的降低更为显著。

　　（3）在给定的工艺参数下，无锡镀层晶粒粗大(约200µm)，以片层结构为主，并伴有局部裂纹。相比之下，含锡沉积层晶粒细(约150µm)，呈篮状和片层状交替结构，未观察到明显的裂纹。锡的加入增加了镀层的冷却速度，导致成核临界半径的减小。此外，由于细晶强化机制，沉积层表现出更高的机械强度，显微硬度提高了约30%。

　　综上所述，在增材制造中使用LMs作为辅助热管理材料，可以有效地减少镀层缺陷，通过热控制提高机械强度。对于涉及复杂结构的增材制造应用，如多腔室、多通道和深盲孔，与传统的热管理方法相比，LMAAM工艺提供了更强大的控制。