【AMF论文推荐】哈尔滨工业大学黄陆军教授团队：降低能量密度细化晶粒，实现Haynes230在激光粉末床熔化过程中的裂纹抑制

学术 2024-12-11 21:29 北京

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引用论文

Delong Gong, Qi An, Run Chen, Shuai Wang, Lujun Huang, Lihua Cui, Weihang Lu, Lin Geng. Realizing Crack Inhibition of Haynes 230 Alloy during Laser Powder Bed Fusion by Grain Refinement under Decreased Energy Density. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 3, 2024, 200139.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200139.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950431724000303

1 研究背景及目的

Haynes 230 作为一种固溶强化型镍基高温合金，具有优异的高温性能和组织稳定性。使用激光粉末床技术（LPBF）成形Haynes 230零部件可以实现复杂结构近净成形，但材料内部容易产生微裂纹缺陷，严重限制了材料性能的发挥。为了减少LPBF成形Haynes 230 中的微裂纹密度，本文通过逐步降低能量密度，旨在抑制裂纹产生。

2 论文亮点

（1）通过调整激光功率和扫描速度，降低能量密度，实现了晶粒显著细化，抑制了开裂行为，力学性能显著提高。

（2）结合组织表征和温度场模拟计算，揭示了高能量密度下的裂纹形成机理与低能量密度下的裂纹抑制机制。

3 试验方法

实验方法：采用粒径为15−53μm，成分为21.84Cr-13.74W-0.45Al-0.07C-1.97Co-1.79Fe-0.032La-0.45Mn-2.67Mo-0.0027N-0.015O-bal. Ni (wt.%)的Haynes 230 合金粉末，采用光栅往复式扫描策略，每层旋转67°，层厚30μm，激光功率变化范围为135W-105W，扫描速度变化范围为650mm/s−750mm/s，对应能量密度变化范围为31.81J/mm^3−47.20J/mm^3。

数值模拟方法：使用ANSYS workbench 的瞬态温度场模块对成形过程中的热行为进行分析，采用高斯体热源加热，相变过程中产生的相变潜热使用等效比热容表示。

4 结果

随着能量密度降低，裂纹数量显著下降，未融合孔洞数量增加。

图1 不同能量密度下，Haynes 230 中裂纹分布情况

随着能量密度依次降低，柱状晶的外延生长特性减弱，柱状晶区域减小，细小不规则等轴晶面积增加。同时，试样的平均晶粒尺寸减小，当能量密度为47.40J/mm^3时，其平均尺寸27.86μm，而当能量密度降低至34.84J/mm^3时，其平均尺寸降低为 14.66μm，发生了显著的晶粒细化。

图2 Haynes 230在不同能量输入下的EBSD分析：(a)Haynes 230水平剖面和纵剖面的IPF着色图；(b) 晶粒尺寸分布和 (c)在不同能量密度下拟合晶粒分布的长径比；(d) 平均裂纹密度、晶粒尺寸和长径比随能量密度的降低而减小

图3 高能量密度（a）和低能量密度（b）下晶粒生长和开裂行为的示意图

相对于高能量密度输入（a），低能量密度（b）下的熔池尺寸更小，冷却速度和温度梯度更大，造成晶粒细化与等轴化，使得凝固后期枝晶间的热应力更小，液膜长度更小，晶间合并时间缩短，从而有效抑制裂纹。

5 结论

1.随着能量密度从47.40J/mm^3降低到31.81J/mm^3，晶粒细化，裂纹从4.33mm/mm^2抑制到0.23mm/mm^2。在能量密度为37.34J/mm^3时，样品的Rm、Rp0.2和At分别达到943MPa、678MPa和19.2%。

2.晶界偏析和晶界取向差影响了裂纹的形成。C和碳化物形成元素（Cr和Mo等）在晶界处的偏析增加了凝固温度区间，纳米碳化物阻碍了液相的回填，大角晶界更容易产生凝固裂纹。

3.冷却速率和温度梯度的增加减少了液膜的存在时间和长度，从而抑制裂纹。此外，晶粒尺寸的减小使热应力均匀化，减轻了成分偏析。

6 前景与应用

通过调整激光能量输入，可以实现打印过程中裂纹抑制，避免对合金成分进行改性，保证了打印态Haynes 230 的力学性能，有助于工程上对激光参数进行优化，同时可以为同类打印态合金裂纹的抑制提供思路。

关于团队

作者团队介绍

黄陆军，哈尔滨工业大学材料学院院长、二级教授/博导，入选国家级高层次人才、国家优青。长期从事粉末冶金和增材制造钛合金与钛基复合材料基础和应用研究，研制的网状结构钛基复合材料在多个航天型号上试验与应用。获黑龙江省自然科学奖一等奖、霍英东教育基金会青年科学奖一等奖、首批强国青年科学家奖、中国复合材料学会青年科学家奖。兼任中国复合材料学会常务理事、中国材料研究学会青年工作委员会常务理事、教育部材料类专业教指委副秘书长。主持国家重点研发计划项目课题、基础加强重点项目课题。主编专著2部。在Progress in Materials Science、Advanced Materials、Acta Materialia等期刊发表论文150余篇，研究方向：粉末冶金与增材制造。

安琦，男，2020年获博士学位，现为哈尔滨工业大学材料学院副教授，博士生导师，AMF青年编委，长期从事钛基复合材料基础理论与应用研究。在Advanced Materials等期刊发表学术论文71篇，其中第一和通讯论文26篇，申请国家发明专利29项，已授权16项。主持国家自然科学基金面上项目与青年基金、部委计划重点项目子课题、国家重点研发计划子课题2项与黑龙江省博士后面上基金，获中国科协 “青年人才托举工程”项目支持、哈工大首届小米青年学者、挑战杯大学生创业计划竞赛优秀指导教师称号等奖励。