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金屬增材制造（AM）等數(shù)字技術(shù)提供了靈活的工藝設(shè)計(jì)自由度，可以逐層制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。然而，其可制造性依賴于對(duì)熔池物理和流體（金屬）動(dòng)力學(xué)的基本理解。激光與材料相互作用過程中產(chǎn)生的金屬蒸氣和孔隙率效應(yīng)會(huì)影響增材可制造性。在這項(xiàng)工作中，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型研究了激光粉末床聚變（L-PBF）AM的成分-過程關(guān)系，以合理化固-液-汽轉(zhuǎn)變，其中基于經(jīng)驗(yàn)的方法用于生成約100種鎳基高溫合金在液態(tài)下的熱物性。
結(jié)果表明，隨著蒸汽質(zhì)量損失的增大，孔隙率有增大的趨勢(shì)。然而，較高的蒸汽質(zhì)量損失意味著更快的冷卻速度。這表明熱流體流動(dòng)過程也受熱物理性質(zhì)的控制，強(qiáng)烈影響增材的可制造性。本研究基于孔隙率、從液體到固體的冷卻速度、揮發(fā)性質(zhì)量損失標(biāo)準(zhǔn)，建立了增材可制造性圖，以將鎳基高溫合金的成分與其熱物理性能聯(lián)系起來。這為AM應(yīng)用中新型高溫合金成分的設(shè)計(jì)提供了基于熱流體科學(xué)的工具。
1.介紹
金屬增材制造（AM）或3D打印是第四次工業(yè)革命中的數(shù)字技術(shù)之一，即所謂的“工業(yè)4.0”。從動(dòng)脈中的生物醫(yī)學(xué)支架到航空噴氣渦輪葉片，連續(xù)地一層一層地添加材料，可以打印復(fù)雜的部件。它優(yōu)于傳統(tǒng)的減法方法，如鑄造、加工和切割，因?yàn)锳M允許及時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜的3D形狀。用于燃燒室和渦輪機(jī)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零件需要具有高耐熱性，以實(shí)現(xiàn)高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，目前鎳基高溫合金最適合。同時(shí)，復(fù)雜的流道形狀應(yīng)以較少的制造工藝精確制造，這使得AM成為一個(gè)很有希望的候選者。
然而，印刷一種特別用于航空航天用途的金屬需要對(duì)物理現(xiàn)象有基本的了解，如熔化、蒸發(fā)甚至電離以形成等離子體。文獻(xiàn)集中于研究接近固態(tài)的溫度而非液態(tài)條件，這不僅是出于技術(shù)重要性，也是出于科學(xué)原因。此外，基于計(jì)算熱力學(xué)的固液相變通常假設(shè)平衡條件（或相界面處的局部平衡條件），例如在傳統(tǒng)鑄造情況下，隨后應(yīng)用物理冶金和固體力學(xué)來合理化材料行為。這可能不是AM的情況，因?yàn)锳M的溫度可以超過沸點(diǎn)。
AM的需要除了考慮固態(tài)裂紋之外還考慮熔體流動(dòng)行為，以評(píng)估增材可制造性或3D印刷性，以最小化熱殘余，并確保在快速冷卻至環(huán)境溫度時(shí)，AM部分對(duì)成品件中的缺陷是安全的。特別是，需要研究液體的流動(dòng)行為（由Reynolds數(shù)Re描述）和液體中的輸運(yùn)現(xiàn)象（由Péclet數(shù)Pe描述）。這對(duì)于航空航天和陸基發(fā)電應(yīng)用中的鎳基高溫合金中的AM具有重要意義，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)完整性通常受到裂紋和氣孔的影響。
在這項(xiàng)工作中，我們將良好的AM可制造性定義為：（i）由于與氣體相關(guān)的孔隙度和未熔合，因此不易產(chǎn)生孔隙度，（ii）從液體到固體的冷卻速度較慢，以延緩殘余應(yīng)力和開裂，以及（iii）在L-PBF AM過程中揮發(fā)性質(zhì)量損失較小。這些增材可制造性標(biāo)準(zhǔn)可用于鎳基高溫合金的增材制造。標(biāo)準(zhǔn)（i）與缺陷形成有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)（iii）與局部成分變化有關(guān)，這些都與最終產(chǎn)品（ii）的機(jī)械性能直接相關(guān)。要引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和建模之間的最大協(xié)同作用，以確定物理上合理的AM材料和加工設(shè)計(jì)規(guī)則，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
鎳基高溫合金是一種高溫材料，由嵌入高濃度鎳固溶體基體γ中的γ′金屬間化合物強(qiáng)化。通常，γ′強(qiáng)化是通過優(yōu)化Al和Ti含量（Ni3（Al，Ti），結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)12）來實(shí)現(xiàn)的，以獲得所需的γ′體積分?jǐn)?shù)，從而確保高溫性能，如蠕變和疲勞。因此，對(duì)于生產(chǎn)或設(shè)計(jì)高溫合金而言，重要的溫度范圍通常在熔點(diǎn)附近。
然而，由于AM工藝的多樣性，即使在制造被視為可打印合金的情況下，金屬蒸汽也是可能的，例如IN718、IN625，這些合金也存在孔隙率和質(zhì)量損失。因此，現(xiàn)在有必要審查高溫合金的一些基本化學(xué)種類，并將其與液體流動(dòng)特性聯(lián)系起來，以評(píng)估和合理化控制AM工藝引起的微觀結(jié)構(gòu)變化和特定位置特性的物理效應(yīng)。
同樣重要的是，應(yīng)在鎳基高溫合金的AM中研究化學(xué)過程關(guān)系，以建立AM可制造性的標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。其中孔隙是由液體中的汽化氣相引起的。由于熔體池動(dòng)力學(xué)在確定孔隙度特征和最終產(chǎn)品質(zhì)量方面的重要性，人們對(duì)其進(jìn)行了深入研究，但迄今為止，系統(tǒng)的參數(shù)研究還沒有很好地完成，只是做了一些開創(chuàng)性的工作。
因此，本研究的第一個(gè)目標(biāo)是根據(jù)化學(xué)成分系統(tǒng)地評(píng)估100多種鎳基高溫合金的液流物理性能，這將有助于為L(zhǎng)-PBF AM應(yīng)用選擇合適的高溫合金性能。第二個(gè)目標(biāo)是在上述第一部分建議的物理性質(zhì)變化范圍內(nèi)，從孔隙度形成、冷卻速度和質(zhì)量損失等方面定量研究熔體池動(dòng)力學(xué)。還將討論Re和Pe的工藝參數(shù)。這將有助于更徹底地了解AM的可制造性，以及之前工作的知識(shí)。
2.方法
2.1. 熱化學(xué)物理性質(zhì)
成功采用金屬AM是為了了解工藝誘導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)、新興性能和缺陷形成的潛在機(jī)制，以優(yōu)化3D制造性能。AM中的一個(gè)關(guān)鍵缺陷是氣孔，即熔體流動(dòng)引起的氣孔或缺乏熔合類型的氣孔，這是由液體中的汽化氣相捕獲引起的。當(dāng)溫度高于材料的沸點(diǎn)（在一定壓力下）時(shí)（無論是在表面上還是在整體上），就會(huì)發(fā)生蒸發(fā)（液-汽相變），并且在高溫合金中，它會(huì)改變材料的狀態(tài)，使其成為金屬蒸汽。
2002年，蘇格蘭利文斯頓的懷曼·戈登（Wyman Gordon）用263合金擠壓出了第一根高溫合金管。雖然這種相對(duì)較短的管道是由常規(guī)尺寸的鑄錠制成的，但它證明了制造厚壁管道的可行性。2011年，德克薩斯州休斯頓的Wyman Gordon擠壓出了一根更大的740H合金管。該378 mm外徑×88mm寬×10.5 mL管道如上圖所示。
當(dāng)高能熱源導(dǎo)致鎖孔熔合模式而非傳導(dǎo)熔合模式時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。合成工藝結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算框架（圖2（a））需要保證AM的可制造性。重要的是要強(qiáng)調(diào)，主要金屬系統(tǒng)的熱物理性質(zhì)，特別是液體性質(zhì)，取決于成分；這些包括熔點(diǎn)（取決于壓力的）沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度，見圖2（b）。
高溫合金的化學(xué)成分通常由10-25種元素組成，可分為四類：與賤金屬（Ni、Co、Fe、Cr）相對(duì)相同的原子量、γ′強(qiáng)化相形成元素（Al、Ti）、重元素（W、Mo、Hf、Re、Ta、Nb、Zr）和類金屬（C或B）。如果某些元素更有利于蒸發(fā)或分離，則次要元素的貢獻(xiàn)可能更為顯著。圖2（c）顯示，Al、Cr和Fe的蒸氣壓高于重元素的蒸氣壓，并且這些元素容易首先蒸發(fā)，鑒于熱源引起的峰值溫度約為3000°C，重元素可能在熔融高溫合金中偏析。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，蒸汽量也可能影響液態(tài)金屬行為局部捕獲的孔隙率。
2.2. 熱溶質(zhì)流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)
為了進(jìn)一步研究導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)、孔隙率發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)模擬的熱流體流動(dòng)特性，使用我們的內(nèi)部CFD代碼TATM-MEX開發(fā)了一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算方法，以模擬激光熱源和粉末材料之間的相互作用，如圖1所示。在模型中，L-PBF AM過程中存在的所有界面現(xiàn)象，包括表面張力（毛細(xì)管力）、Marangoni流（熱毛細(xì)管力）和反沖壓力，均已納入模擬。在這項(xiàng)工作中，還考慮了蒸發(fā)、傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射引起的熱損失。
該程序還可以通過求解包括擴(kuò)散在內(nèi)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程來處理多個(gè)元素。液/氣界面通過水平集方法捕獲，并結(jié)合流體體積法來確保體積me守恒。連續(xù)性、動(dòng)量、能量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制方程分別為，
其中ρ是密度，u是速度，T是溫度，p是壓力，D是擴(kuò)散系數(shù)，Yi是物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。環(huán)境氣體為空氣，物種i包括N2、O2和金屬蒸氣元素。Qu表示牛頓粘性力，由下式給出：
QT是熱傳遞項(xiàng)，包括Fourier定律的熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散的焓傳遞、粘性功、相變潛熱和輻射傳熱。
其中Vi是由Fick定律表示的擴(kuò)散速度。
液位設(shè)置函數(shù)F用于捕捉液體/氣體界面的形狀。F是有符號(hào)距離函數(shù)，其中F=0表示接口，F(xiàn)>0表示液相和F<0氣相。接下來
其中sL是蒸發(fā)導(dǎo)致的表面回歸速度。為了在確定物理性質(zhì)時(shí)使用F，將其轉(zhuǎn)換為顏色函數(shù)ν，即F的一個(gè)Heaviside函數(shù)。例如，密度由ρ給出=（1-ν）ρG+νρL，其中ρL和ρG分別為液體和氣體密度。
在該代碼中，光線跟蹤用于熱量計(jì)算。假設(shè)激光束由數(shù)千條光線組成，并跟蹤每條光線的軌跡。根據(jù)局部表面傾角，表面反射假定為鏡面反射，表面吸收系數(shù)設(shè)置為0.6。（1）中的qL是體積激光熱量。給出了蒸發(fā)表面相變引起的相應(yīng)躍變條件。液體/氣體表面的熱平衡給出
其中Me為蒸發(fā)率，I為激光強(qiáng)度，h為傳熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，n為表面法向量。下標(biāo)L和G分別代表液相和氣相。括號(hào)表示差異[f]=fL fG。反沖壓力作用于汽化界面，質(zhì)量分?jǐn)?shù)給出了上述約束條件。蒸發(fā)面處的速度滿足
其中，表面速度uS是液體速度和表面回歸速度之和，即uS=保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室+sL。
表面的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蒸汽壓力由Clapeyron-Clausius 關(guān)系式給出。
通過求解（1）-（8）的方程組，可以分析和合理化熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和液/氣界面變化的演變。詳細(xì)的模型描述和模型參數(shù)見。
CFD模型已應(yīng)用于產(chǎn)生的粉末顆粒分布，累積中值直徑為14μm，最大粉末直徑為36μm。網(wǎng)格分辨率為2.5μm。計(jì)算域?yàn)?40μm×230μm×230μm，包含161萬個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。400的激光熱源W，掃描速度為3000采用mm/s模擬工藝條件，研究了成分對(duì)加工的影響。目前的情況是在快速掃描區(qū)域，激光熔化和熔池動(dòng)力學(xué)的相互作用較大，以便更清楚地看到差異。
表1列出了為鑄造、熱加工和AM新設(shè)計(jì)的選定鎳基高溫合金。表2給出了基準(zhǔn)鎳基高溫合金IN718以及CMSX-10和RR1000的熱物理性能。請(qǐng)注意，所有材料參數(shù)都與溫度有關(guān)。激光參數(shù)和加工條件如表3所示。
3.后果
3.1. 化學(xué)過程關(guān)系
為了更好地理解化學(xué)過程關(guān)系，系統(tǒng)地研究了液體性質(zhì)的成分依賴性——在熱流體行為中捕獲氣體的趨勢(shì)——包括動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率。根據(jù)，液體的動(dòng)態(tài)粘度μ可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)近似為：
其中，wi為元素i的重量百分比。這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表明，μ是Cr、Fe和重金屬(包括W、Re、Nb、Ta、Mo和Hf)組成的函數(shù)。圖2(b)顯示了后鎳基高溫合金中測(cè)量到的密度和粘度的變化，表明粘度在5.0 - 8.5 mPa s范圍內(nèi)。而密度大于IN718的CMSX-4的動(dòng)態(tài)粘度較低，說明黏度的組分依賴性值得進(jìn)一步研究。
值得注意的是，根據(jù)（9），動(dòng)態(tài)粘度與重元素沒有直接關(guān)系，見圖3（b）。然而，在考慮鋁含量時(shí)，動(dòng)態(tài)粘度很可能呈現(xiàn)某種趨勢(shì)，見圖3（c），鑄造高溫合金的動(dòng)態(tài)粘度通常低于鍛造高溫合金。根據(jù)第一近似值，可以對(duì)動(dòng)態(tài)粘度與最大標(biāo)稱γ′體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序，計(jì)算公式如下：
其中是γ′前元素Al、Ti、Ta和Nb的原子百分比，在之后。圖3（d）表明，γ′前元素含量越高，動(dòng)態(tài)粘度越低，表明重元素、鉻和鐵含量越多，液體粘度越高。通過AM成功加工的高溫合金，并在較大的實(shí)心點(diǎn)中突出顯示，可以看出，與具有較低動(dòng)態(tài)粘度的鑄造高溫合金相比，具有較高粘度的鍛造高溫合金更易于進(jìn)行增材制造。到目前為止，液體性質(zhì)（如動(dòng)態(tài)粘度）可能在AM過程中對(duì)過程引起的孔隙率或蒸發(fā)起重要作用。這可以用來建立鎳基高溫合金增材可制造性的標(biāo)準(zhǔn)。
至于導(dǎo)熱系數(shù)的變化，根據(jù)[27]中的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)（k）為298在大多數(shù)鎳基高溫合金中，K被認(rèn)為是鋁含量的線性函數(shù)。k的表達(dá)式寫為：
本研究中鎳基高溫合金在液相線溫度下的k可近似為XA1的函數(shù)，其結(jié)果范圍為28–35WM?1K?1。
3.2. 熱流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)
據(jù)報(bào)道，一些具有高粘度的鎳基高溫合金說明了低水平加工導(dǎo)致的“氣孔”。此處，孔隙率測(cè)量為因蒸發(fā)和未熔合而產(chǎn)生的孔隙體積分?jǐn)?shù)與加工體積之比。在這方面，孔隙度可用作AM的可制造性標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步證明鎳基高溫合金熱物理性能的作用，使用了中采用的熱流體流動(dòng)模型。
如前所述，為了將組成與AM過程中的熱-材料相互作用聯(lián)系起來，我們建議通過Reynolds數(shù)、Re＝UL/V和通過P CeLe數(shù)、Re= UL/A的熱流來考慮流體流動(dòng)。在這方面，U和L表示速度和熔池尺寸，隨工藝條件的組合而變化。這里，ν=μ/p是運(yùn)動(dòng)粘度，和α=k/pcp是熱擴(kuò)散系數(shù)，ρ是密度，k是導(dǎo)熱系數(shù)，cp是熱容。流速大小和特征長(zhǎng)度標(biāo)度L用于描述通過CFD計(jì)算的熱流體流動(dòng)。
來源：江蘇激光聯(lián)盟
為了在化學(xué)和工藝之間建立聯(lián)系，IN718的特性被用作基線，在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，只有“動(dòng)態(tài)粘度”和“熱導(dǎo)率”發(fā)生變化。圖4（a）、（b）顯示了t處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)=100μs，用于不同的動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率。
激光束在圖中從右向左掃描。在所有情況下，在激光束區(qū)域（高溫區(qū)域的最左側(cè)）形成一個(gè)小孔，在小孔后面（小孔的右側(cè)）形成一個(gè)熔池。所有情況下，熔池的整體形狀相似，但在細(xì)節(jié)上，表面形狀和溫度分布略有不同。類似地，圖4（b）所示的速度幅度在各種情況下也有一些變化。接下來對(duì)這些變化進(jìn)行量化。
圖5（a）-（d）顯示了熔池體積Vm、平均速度.在熔池中，Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)分別基于和。為了評(píng)估其他鎳基高溫合金的可制造性，還對(duì)兩種高溫合金（CMSX-10和RR1000）進(jìn)行了額外模擬，并包括在以下分析中。左下部分的圓圈表示CMSX-10，靠近中心的圓圈表示RR1000。動(dòng)態(tài)粘度越大，熔池體積越大。
大熔體池體積區(qū)域從左上角區(qū)域（大動(dòng)態(tài)粘度和小熱導(dǎo)率）延伸到右下角區(qū)域（小動(dòng)態(tài)粘度和大熱導(dǎo)率）。相比之下，動(dòng)態(tài)粘度越小，熔池中的平均速度越大。不過，從左上角到右下角也存在類似的趨勢(shì)。這表明，當(dāng)動(dòng)態(tài)粘度較大時(shí)，流動(dòng)速度較慢，傳熱也受此影響。從Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)的過程參數(shù)來看，趨勢(shì)更為明顯。Re的變化趨勢(shì)與熔池內(nèi)平均速度的變化趨勢(shì)相似。Pe也很大，從左上角到右下角的趨勢(shì)類似。Reynolds數(shù)的變化比Pe大，表明粘度場(chǎng)和速度場(chǎng)的作用相對(duì)較大。CMSX-10和RR1000的參考案例在地圖上顯示出類似的趨勢(shì)，這表明上述觀察到的粘度、導(dǎo)熱和流動(dòng)過程的趨勢(shì)通常適用于鎳基高溫合金。
4.討論：增材制造的可制造性
4.1. 多孔性
與上文報(bào)告不同，圖5中提出的AM圖展示了基于熱流體動(dòng)力學(xué)的AM建議材料工藝設(shè)計(jì)圖。由于CMSX-10和RR1000的附加結(jié)果也證實(shí)了熱流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)決定了AM工藝特性，因此各種鎳基高溫合金在孔隙度圖上疊加在動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率方面，如圖6所示。
結(jié)果表明，較高的動(dòng)態(tài)粘度和導(dǎo)熱系數(shù)意味著較高的增材可制造性。在這里，Ti和Al含量都較低的高溫合金（即γ′前元素較少）具有較高的動(dòng)態(tài)粘度（>7.0MPa）s） 以及更高的導(dǎo)熱系數(shù)（>33WM?1K?1） 分別為。例如，高加工性合金IN625和IN718屬于該制度。
當(dāng)速度耗散較高時(shí)，流體流動(dòng)停滯，因此孔隙度較低。注意，由于較低的速度量級(jí)，從AM冷卻時(shí)，可能會(huì)發(fā)生沉淀開裂。相反，較低的動(dòng)態(tài)粘度可能導(dǎo)致流體流動(dòng)加速。這里，如果熱導(dǎo)率適中，則孔隙率較大。該區(qū)域的Reynolds數(shù)較大，最終導(dǎo)致較大的質(zhì)量損失。在高粘度和高熱傳導(dǎo)率區(qū)域，孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失相對(duì)較低，這與wroght合金中較低的γ′前體元素相對(duì)應(yīng)。相比之下，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)較低且粘度中等時(shí)，孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失相對(duì)較高。
4.2. 液體和固體中的冷卻速率
對(duì)熔池中的冷卻速度進(jìn)行評(píng)估，以獲得冶金見解。冷卻速率可以作為估算殘余應(yīng)力的一種度量，其中較大的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力。圖7（a）（b）顯示了與圖6相同的參數(shù)空間中的冷卻速率。在這里，熔池外圍溫度的時(shí)間變化用于冷卻速率計(jì)算，如圖7（c）所示，使用基準(zhǔn)IN718情況的數(shù)據(jù)。冷卻速率為負(fù)值，圖中的顏色條反轉(zhuǎn)以顯示量級(jí)的趨勢(shì)。
請(qǐng)注意，在固態(tài)冷卻中，該量級(jí)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。與圖中的其他合金相比，基線IM718的冷卻速度相對(duì)較慢。冷卻速率的大小與PE（圖5（D））和RE（圖5（C））的趨勢(shì)相關(guān)。這是很自然的，因?yàn)閭鳠岵粌H受熱傳導(dǎo)控制，而且由于液體中的對(duì)流效應(yīng)而增強(qiáng)。
在給定的工藝條件下，流體流量（Re）和熱流（Pe）之間的平衡應(yīng)為最佳，同時(shí)應(yīng)注意，這種關(guān)系是非線性的。鎳基高溫合金之間的相似性表明，通過考慮合金成分與物理性能之間的相關(guān)性，這種圖譜可用于理解增材制造的一般可制造性。
4.3. 揮發(fā)質(zhì)量損失/蒸發(fā)
蒸汽質(zhì)量損失率與高溫合金名稱一起繪制在圖8中，與導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)態(tài)粘度有關(guān)。質(zhì)量損失率（圖8）和孔隙度（圖6）具有很強(qiáng)的相關(guān)性。IN718是AM中最常用的，它位于質(zhì)量損失和孔隙度較小的區(qū)域。因此，孔隙度和質(zhì)量損失之間的相似性表明，孔隙度的附加可制造性標(biāo)準(zhǔn)也可用于估算質(zhì)量損失，即孔隙度越小，質(zhì)量損失越小。
這是很自然的，因?yàn)橘|(zhì)量損失是由蒸發(fā)引起的，孔隙度也是由蒸汽引起的。圖9（a）-（d）表示液體和固體中質(zhì)量損失、孔隙度和冷卻速率的Re和Pe相關(guān)性。如圖9（a）（b）所示，對(duì)于較大的Pe和Re條件，質(zhì)量損失率和孔隙率較大，在此條件下，流動(dòng)相對(duì)較大，熱量適度儲(chǔ)存在相對(duì)較大的熔體池中。
這表明，流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)地決定了蒸發(fā)引起的質(zhì)量損失率，這對(duì)于流體中孔隙的形成也是合理的。
此處觀察到的質(zhì)量損失率的Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)依賴性與純?cè)氐馁|(zhì)量損失率相似，其中較大的Re主要決定較大的質(zhì)量損失，這表明在AM中考慮流動(dòng)過程的重要性。對(duì)于圖9（c）（d）中的冷卻速率，液體和固體速率相關(guān)?？傮w趨勢(shì)與質(zhì)量損失和孔隙度相似，但在中等Re和Pe區(qū)域存在一些差異。并發(fā)癥可能需要進(jìn)一步調(diào)查。根據(jù)工藝條件的不同，這些關(guān)系可能在數(shù)量上有所不同。但本研究中闡明的物理圖像將有助于理解AM中相關(guān)現(xiàn)象的影響。
最重要的是，從CFD計(jì)算和熱物理性能估算中可以注意到，根據(jù)工藝誘導(dǎo)孔隙率（圖6）、冷卻速率（圖7），為AM設(shè)計(jì)的新型鎳基高溫合金，如ABD-850AM、ABD-900AM、ExpAM、ExpAM mod和MAD542位于良好的增材可制造性區(qū)和質(zhì)量損失結(jié)果（圖8）。這強(qiáng)調(diào)了新合金對(duì)于成功的增材可制造性是必要的，通過組合和工藝特征之間的熱流體流程圖合理化。
顯示晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程中枝晶間距調(diào)整的示意圖,實(shí)驗(yàn)觀察表明，枝晶一次間距可以調(diào)整為在最小端過度生長(zhǎng)和最大端分支所控制的范圍內(nèi)穩(wěn)定。例如，如果枝晶陣列的一個(gè)成員的間距太小，它將被其鄰居過度生長(zhǎng)。如果間距過大，第三臂的生長(zhǎng)將形成新的一次枝晶。
此外，除了熱流體流動(dòng)誘導(dǎo)效應(yīng)的孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失標(biāo)準(zhǔn)之外，我們可以考慮基于原子學(xué)理解的組合物效應(yīng)的可制造性。這可能導(dǎo)致另一種與固體力學(xué)有關(guān)的缺陷，如開裂。此外，還需要進(jìn)行高通量表征和機(jī)械測(cè)試，以確定增材的可制造性以及熱力學(xué)原理的合理化。
該合成工藝方法首次可用于選擇具有特定加工路線/條件的特定材料，用于航空航天、能源或汽車應(yīng)用中的新材料設(shè)計(jì)、當(dāng)前工藝改進(jìn)和部件維修。這些可用于開拓金屬增材制造系統(tǒng)、熔焊以及熔模鑄造中金屬蒸汽動(dòng)力學(xué)的新研究領(lǐng)域。因此，可以使用熱物理性質(zhì)（例如粘度和導(dǎo)熱系數(shù)）作為增材可制造性指數(shù)來定制金屬增材可制造性。
5.總結(jié)與結(jié)論
為了使增材制造的可制造性合理化，對(duì)100多種鎳基高溫合金的金屬熱化學(xué)過程關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體結(jié)論如下：
1. 系統(tǒng)地研究了液體動(dòng)力粘度化學(xué)過程參數(shù)的成分依賴性，以繪制合金數(shù)、重元素含量、鋁含量和γ′體積分?jǐn)?shù)的化學(xué)過程圖。動(dòng)態(tài)粘度與鋁含量和γ′體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，γ′前體元素含量越高，動(dòng)態(tài)粘度越低。由此，確定了鎳基高溫合金動(dòng)態(tài)粘度的可能范圍和趨勢(shì)。
2. 使用動(dòng)態(tài)粘度與熱導(dǎo)率或Re和Pe的化學(xué)工藝參數(shù)對(duì)熱流體行為進(jìn)行分類。IN718是應(yīng)用最廣泛的附加制造鎳基高溫合金，已被用作CFD計(jì)算的基準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率實(shí)際上是不同的，以涵蓋上述鎳基高溫合金的map范圍，以了解流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，并將其熱流體特性合理化為良好的增材可制造性。Re和Pe越大，孔隙度越大。
3. 鎳基高溫合金中金屬蒸汽的質(zhì)量損失特性首次被開發(fā)出來，以使用基于液體性質(zhì)（如粘度、密度和導(dǎo)熱率）的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砗侠砘庸ば阅?。較大的蒸汽質(zhì)量損失與較高的孔隙率相關(guān)，這表明受熱物理性質(zhì)控制的熱流體流動(dòng)過程強(qiáng)烈影響增材的可制造性。基于孔隙度和揮發(fā)質(zhì)量損失或蒸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的增材可制造性圖已經(jīng)建立，以將鎳基高溫合金的成分與其熱物理性質(zhì)聯(lián)系起來，這有助于在0-1范圍內(nèi)設(shè)計(jì)成分一種可能用于L-PBF AM應(yīng)用的新型高溫合金的Al和Ti合金元素的重量百分比。
4.較高的動(dòng)態(tài)粘度（>7.0 mPas） 和導(dǎo)熱系數(shù)（>33WM?1K?1） 導(dǎo)致更高的增材可制造性。這是因?yàn)樗鼘?dǎo)致較低的流體速度形成孔隙，并且傳熱受到速度的影響。此外，液固相變會(huì)導(dǎo)致不同的冷卻速率，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的發(fā)展。粘度和導(dǎo)熱系數(shù)越高，液態(tài)和固態(tài)的冷卻速率越低。因此，熱流體模型也可用于評(píng)估特定合金的合適加工窗口。
5.有人建議，需要新的鎳基高溫合金才能成功地實(shí)現(xiàn)增材的可制造性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)合金已針對(duì)鑄造、成形或鍛造等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化?；瘜W(xué)過程無量綱參數(shù)Re和Pe可作為新型AM高溫合金的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
來源：Additivemanufacturability of superalloys: Process-induced porosity, cooling rate andmetal vapour，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102339
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結(jié)果表明，隨著蒸汽質(zhì)量損失的增大，孔隙率有增大的趨勢(shì)。然而，較高的蒸汽質(zhì)量損失意味著更快的冷卻速度。這表明熱流體流動(dòng)過程也受熱物理性質(zhì)的控制，強(qiáng)烈影響增材的可制造性。本研究基于孔隙率、從液體到固體的冷卻速度、揮發(fā)性質(zhì)量損失標(biāo)準(zhǔn)，建立了增材可制造性圖，以將鎳基高溫合金的成分與其熱物理性能聯(lián)系起來。這為AM應(yīng)用中新型高溫合金成分的設(shè)計(jì)提供了基于熱流體科學(xué)的工具。
燃油噴射旋流器，來自Morris Technologies。這個(gè)零件不可能通過機(jī)械加工或鑄造，但可以通過增材制造很容易制造出來。
1.介紹
金屬增材制造（AM）或3D打印是第四次工業(yè)革命中的數(shù)字技術(shù)之一，即所謂的“工業(yè)4.0”。從動(dòng)脈中的生物醫(yī)學(xué)支架到航空噴氣渦輪葉片，連續(xù)地一層一層地添加材料，可以打印復(fù)雜的部件。它優(yōu)于傳統(tǒng)的減法方法，如鑄造、加工和切割，因?yàn)锳M允許及時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜的3D形狀。用于燃燒室和渦輪機(jī)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零件需要具有高耐熱性，以實(shí)現(xiàn)高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，目前鎳基高溫合金最適合。同時(shí)，復(fù)雜的流道形狀應(yīng)以較少的制造工藝精確制造，這使得AM成為一個(gè)很有希望的候選者。
然而，印刷一種特別用于航空航天用途的金屬需要對(duì)物理現(xiàn)象有基本的了解，如熔化、蒸發(fā)甚至電離以形成等離子體。文獻(xiàn)集中于研究接近固態(tài)的溫度而非液態(tài)條件，這不僅是出于技術(shù)重要性，也是出于科學(xué)原因。此外，基于計(jì)算熱力學(xué)的固液相變通常假設(shè)平衡條件（或相界面處的局部平衡條件），例如在傳統(tǒng)鑄造情況下，隨后應(yīng)用物理冶金和固體力學(xué)來合理化材料行為。這可能不是AM的情況，因?yàn)锳M的溫度可以超過沸點(diǎn)。
AM的需要除了考慮固態(tài)裂紋之外還考慮熔體流動(dòng)行為，以評(píng)估增材可制造性或3D印刷性，以最小化熱殘余，并確保在快速冷卻至環(huán)境溫度時(shí)，AM部分對(duì)成品件中的缺陷是安全的。特別是，需要研究液體的流動(dòng)行為（由Reynolds數(shù)Re描述）和液體中的輸運(yùn)現(xiàn)象（由Péclet數(shù)Pe描述）。這對(duì)于航空航天和陸基發(fā)電應(yīng)用中的鎳基高溫合金中的AM具有重要意義，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)完整性通常受到裂紋和氣孔的影響。
在這項(xiàng)工作中，我們將良好的AM可制造性定義為：（i）由于與氣體相關(guān)的孔隙度和未熔合，因此不易產(chǎn)生孔隙度，（ii）從液體到固體的冷卻速度較慢，以延緩殘余應(yīng)力和開裂，以及（iii）在L-PBF AM過程中揮發(fā)性質(zhì)量損失較小。這些增材可制造性標(biāo)準(zhǔn)可用于鎳基高溫合金的增材制造。標(biāo)準(zhǔn)（i）與缺陷形成有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)（iii）與局部成分變化有關(guān)，這些都與最終產(chǎn)品（ii）的機(jī)械性能直接相關(guān)。要引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和建模之間的最大協(xié)同作用，以確定物理上合理的AM材料和加工設(shè)計(jì)規(guī)則，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
鎳基高溫合金是一種高溫材料，由嵌入高濃度鎳固溶體基體γ中的γ′金屬間化合物強(qiáng)化。通常，γ′強(qiáng)化是通過優(yōu)化Al和Ti含量（Ni3（Al，Ti），結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)12）來實(shí)現(xiàn)的，以獲得所需的γ′體積分?jǐn)?shù)，從而確保高溫性能，如蠕變和疲勞。因此，對(duì)于生產(chǎn)或設(shè)計(jì)高溫合金而言，重要的溫度范圍通常在熔點(diǎn)附近。
然而，由于AM工藝的多樣性，即使在制造被視為可打印合金的情況下，金屬蒸汽也是可能的，例如IN718、IN625，這些合金也存在孔隙率和質(zhì)量損失。因此，現(xiàn)在有必要審查高溫合金的一些基本化學(xué)種類，并將其與液體流動(dòng)特性聯(lián)系起來，以評(píng)估和合理化控制AM工藝引起的微觀結(jié)構(gòu)變化和特定位置特性的物理效應(yīng)。
同樣重要的是，應(yīng)在鎳基高溫合金的AM中研究化學(xué)過程關(guān)系，以建立AM可制造性的標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。其中孔隙是由液體中的汽化氣相引起的。由于熔體池動(dòng)力學(xué)在確定孔隙度特征和最終產(chǎn)品質(zhì)量方面的重要性，人們對(duì)其進(jìn)行了深入研究，但迄今為止，系統(tǒng)的參數(shù)研究還沒有很好地完成，只是做了一些開創(chuàng)性的工作。
圖1 將內(nèi)在特性與多尺度過程科學(xué)聯(lián)系起來的示意圖，強(qiáng)調(diào)金屬蒸汽對(duì)孔隙度的作用
因此，本研究的第一個(gè)目標(biāo)是根據(jù)化學(xué)成分系統(tǒng)地評(píng)估100多種鎳基高溫合金的液流物理性能，這將有助于為L(zhǎng)-PBF AM應(yīng)用選擇合適的高溫合金性能。第二個(gè)目標(biāo)是在上述第一部分建議的物理性質(zhì)變化范圍內(nèi)，從孔隙度形成、冷卻速度和質(zhì)量損失等方面定量研究熔體池動(dòng)力學(xué)。還將討論Re和Pe的工藝參數(shù)。這將有助于更徹底地了解AM的可制造性，以及之前工作的知識(shí)。
2.方法
2.1. 熱化學(xué)物理性質(zhì)
成功采用金屬AM是為了了解工藝誘導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)、新興性能和缺陷形成的潛在機(jī)制，以優(yōu)化3D制造性能。AM中的一個(gè)關(guān)鍵缺陷是氣孔，即熔體流動(dòng)引起的氣孔或缺乏熔合類型的氣孔，這是由液體中的汽化氣相捕獲引起的。當(dāng)溫度高于材料的沸點(diǎn)（在一定壓力下）時(shí)（無論是在表面上還是在整體上），就會(huì)發(fā)生蒸發(fā)（液-汽相變），并且在高溫合金中，它會(huì)改變材料的狀態(tài)，使其成為金屬蒸汽。
2002年，蘇格蘭利文斯頓的懷曼·戈登（Wyman Gordon）用263合金擠壓出了第一根高溫合金管。雖然這種相對(duì)較短的管道是由常規(guī)尺寸的鑄錠制成的，但它證明了制造厚壁管道的可行性。2011年，德克薩斯州休斯頓的Wyman Gordon擠壓出了一根更大的740H合金管。該378 mm外徑×88mm寬×10.5 mL管道如上圖所示。
當(dāng)高能熱源導(dǎo)致鎖孔熔合模式而非傳導(dǎo)熔合模式時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。合成工藝結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算框架（圖2（a））需要保證AM的可制造性。重要的是要強(qiáng)調(diào)，主要金屬系統(tǒng)的熱物理性質(zhì)，特別是液體性質(zhì)，取決于成分；這些包括熔點(diǎn)（取決于壓力的）沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度，見圖2（b）。
圖2 （a） 蒸發(fā)的工藝材料關(guān)系；（b）測(cè)量鎂、鋁、鈦、鋅、銅、鐵和鎳合金的密度和動(dòng)態(tài)粘度；（c） 鎳基高溫合金主要元素蒸氣壓的溫度依賴性。
高溫合金的化學(xué)成分通常由10-25種元素組成，可分為四類：與賤金屬（Ni、Co、Fe、Cr）相對(duì)相同的原子量、γ′強(qiáng)化相形成元素（Al、Ti）、重元素（W、Mo、Hf、Re、Ta、Nb、Zr）和類金屬（C或B）。如果某些元素更有利于蒸發(fā)或分離，則次要元素的貢獻(xiàn)可能更為顯著。圖2（c）顯示，Al、Cr和Fe的蒸氣壓高于重元素的蒸氣壓，并且這些元素容易首先蒸發(fā)，鑒于熱源引起的峰值溫度約為3000°C，重元素可能在熔融高溫合金中偏析。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，蒸汽量也可能影響液態(tài)金屬行為局部捕獲的孔隙率。
2.2. 熱溶質(zhì)流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)
為了進(jìn)一步研究導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)、孔隙率發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)模擬的熱流體流動(dòng)特性，使用我們的內(nèi)部CFD代碼TATM-MEX開發(fā)了一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算方法，以模擬激光熱源和粉末材料之間的相互作用，如圖1所示。在模型中，L-PBF AM過程中存在的所有界面現(xiàn)象，包括表面張力（毛細(xì)管力）、Marangoni流（熱毛細(xì)管力）和反沖壓力，均已納入模擬。在這項(xiàng)工作中，還考慮了蒸發(fā)、傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射引起的熱損失。
該程序還可以通過求解包括擴(kuò)散在內(nèi)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程來處理多個(gè)元素。液/氣界面通過水平集方法捕獲，并結(jié)合流體體積法來確保體積me守恒。連續(xù)性、動(dòng)量、能量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制方程分別為，
其中ρ是密度，u是速度，T是溫度，p是壓力，D是擴(kuò)散系數(shù)，Yi是物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。環(huán)境氣體為空氣，物種i包括N2、O2和金屬蒸氣元素。Qu表示牛頓粘性力，由下式給出：
QT是熱傳遞項(xiàng)，包括Fourier定律的熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散的焓傳遞、粘性功、相變潛熱和輻射傳熱。
其中Vi是由Fick定律表示的擴(kuò)散速度。
液位設(shè)置函數(shù)F用于捕捉液體/氣體界面的形狀。F是有符號(hào)距離函數(shù)，其中F=0表示接口，F(xiàn)>0表示液相和F<0氣相。接下來
其中sL是蒸發(fā)導(dǎo)致的表面回歸速度。為了在確定物理性質(zhì)時(shí)使用F，將其轉(zhuǎn)換為顏色函數(shù)ν，即F的一個(gè)Heaviside函數(shù)。例如，密度由ρ給出=（1-ν）ρG+νρL，其中ρL和ρG分別為液體和氣體密度。
在該代碼中，光線跟蹤用于熱量計(jì)算。假設(shè)激光束由數(shù)千條光線組成，并跟蹤每條光線的軌跡。根據(jù)局部表面傾角，表面反射假定為鏡面反射，表面吸收系數(shù)設(shè)置為0.6。（1）中的qL是體積激光熱量。給出了蒸發(fā)表面相變引起的相應(yīng)躍變條件。液體/氣體表面的熱平衡給出
其中Me為蒸發(fā)率，I為激光強(qiáng)度，h為傳熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，n為表面法向量。下標(biāo)L和G分別代表液相和氣相。括號(hào)表示差異[f]=fL fG。反沖壓力作用于汽化界面，質(zhì)量分?jǐn)?shù)給出了上述約束條件。蒸發(fā)面處的速度滿足
其中，表面速度uS是液體速度和表面回歸速度之和，即uS=保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室+sL。
表面的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蒸汽壓力由Clapeyron-Clausius 關(guān)系式給出。
通過求解（1）-（8）的方程組，可以分析和合理化熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和液/氣界面變化的演變。詳細(xì)的模型描述和模型參數(shù)見。
CFD模型已應(yīng)用于產(chǎn)生的粉末顆粒分布，累積中值直徑為14μm，最大粉末直徑為36μm。網(wǎng)格分辨率為2.5μm。計(jì)算域?yàn)?40μm×230μm×230μm，包含161萬個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。400的激光熱源W，掃描速度為3000采用mm/s模擬工藝條件，研究了成分對(duì)加工的影響。目前的情況是在快速掃描區(qū)域，激光熔化和熔池動(dòng)力學(xué)的相互作用較大，以便更清楚地看到差異。
表1列出了為鑄造、熱加工和AM新設(shè)計(jì)的選定鎳基高溫合金。表2給出了基準(zhǔn)鎳基高溫合金IN718以及CMSX-10和RR1000的熱物理性能。請(qǐng)注意，所有材料參數(shù)都與溫度有關(guān)。激光參數(shù)和加工條件如表3所示。
表1 當(dāng)前研究中AM用鎳基高溫合金的選定成分，單位為wt%（鎳平衡）。
表2 熱流體流動(dòng)計(jì)算的熱物理性質(zhì)。
表3 計(jì)算中使用的熱源模型參數(shù)。
3.后果
3.1. 化學(xué)過程關(guān)系
為了更好地理解化學(xué)過程關(guān)系，系統(tǒng)地研究了液體性質(zhì)的成分依賴性——在熱流體行為中捕獲氣體的趨勢(shì)——包括動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率。根據(jù)，液體的動(dòng)態(tài)粘度μ可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)近似為：
其中，wi為元素i的重量百分比。這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表明，μ是Cr、Fe和重金屬(包括W、Re、Nb、Ta、Mo和Hf)組成的函數(shù)。圖2(b)顯示了后鎳基高溫合金中測(cè)量到的密度和粘度的變化，表明粘度在5.0 - 8.5 mPa s范圍內(nèi)。而密度大于IN718的CMSX-4的動(dòng)態(tài)粘度較低，說明黏度的組分依賴性值得進(jìn)一步研究。
值得注意的是，根據(jù)（9），動(dòng)態(tài)粘度與重元素沒有直接關(guān)系，見圖3（b）。然而，在考慮鋁含量時(shí)，動(dòng)態(tài)粘度很可能呈現(xiàn)某種趨勢(shì)，見圖3（c），鑄造高溫合金的動(dòng)態(tài)粘度通常低于鍛造高溫合金。根據(jù)第一近似值，可以對(duì)動(dòng)態(tài)粘度與最大標(biāo)稱γ′體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序，計(jì)算公式如下：
其中是γ′前元素Al、Ti、Ta和Nb的原子百分比，在之后。圖3（d）表明，γ′前元素含量越高，動(dòng)態(tài)粘度越低，表明重元素、鉻和鐵含量越多，液體粘度越高。通過AM成功加工的高溫合金，并在較大的實(shí)心點(diǎn)中突出顯示，可以看出，與具有較低動(dòng)態(tài)粘度的鑄造高溫合金相比，具有較高粘度的鍛造高溫合金更易于進(jìn)行增材制造。到目前為止，液體性質(zhì)（如動(dòng)態(tài)粘度）可能在AM過程中對(duì)過程引起的孔隙率或蒸發(fā)起重要作用。這可以用來建立鎳基高溫合金增材可制造性的標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 鑄造、鍛造和AM高溫合金在液相線溫度下計(jì)算的動(dòng)態(tài)粘度，作為（a）合金數(shù)的函數(shù)；（b） 重元素；（c）鋁含量；（d） γ′體積分?jǐn)?shù)。
至于導(dǎo)熱系數(shù)的變化，根據(jù)[27]中的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)（k）為298在大多數(shù)鎳基高溫合金中，K被認(rèn)為是鋁含量的線性函數(shù)。k的表達(dá)式寫為：
本研究中鎳基高溫合金在液相線溫度下的k可近似為XA1的函數(shù)，其結(jié)果范圍為28–35WM?1K?1。
3.2. 熱流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)
據(jù)報(bào)道，一些具有高粘度的鎳基高溫合金說明了低水平加工導(dǎo)致的“氣孔”。此處，孔隙率測(cè)量為因蒸發(fā)和未熔合而產(chǎn)生的孔隙體積分?jǐn)?shù)與加工體積之比。在這方面，孔隙度可用作AM的可制造性標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步證明鎳基高溫合金熱物理性能的作用，使用了中采用的熱流體流動(dòng)模型。
如前所述，為了將組成與AM過程中的熱-材料相互作用聯(lián)系起來，我們建議通過Reynolds數(shù)、Re＝UL/V和通過P CeLe數(shù)、Re= UL/A的熱流來考慮流體流動(dòng)。在這方面，U和L表示速度和熔池尺寸，隨工藝條件的組合而變化。這里，ν=μ/p是運(yùn)動(dòng)粘度，和α=k/pcp是熱擴(kuò)散系數(shù)，ρ是密度，k是導(dǎo)熱系數(shù)，cp是熱容。流速大小和特征長(zhǎng)度標(biāo)度L用于描述通過CFD計(jì)算的熱流體流動(dòng)。
來源：江蘇激光聯(lián)盟
為了在化學(xué)和工藝之間建立聯(lián)系，IN718的特性被用作基線，在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，只有“動(dòng)態(tài)粘度”和“熱導(dǎo)率”發(fā)生變化。圖4（a）、（b）顯示了t處的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)=100μs，用于不同的動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率。
圖4 （a） IN718的溫度和（b）速度大小隨動(dòng)態(tài)粘度和導(dǎo)熱系數(shù)的變化而變化。可視平面位于激光束的中心。“基線”表示實(shí)際IN718屬性的情況。
激光束在圖中從右向左掃描。在所有情況下，在激光束區(qū)域（高溫區(qū)域的最左側(cè)）形成一個(gè)小孔，在小孔后面（小孔的右側(cè)）形成一個(gè)熔池。所有情況下，熔池的整體形狀相似，但在細(xì)節(jié)上，表面形狀和溫度分布略有不同。類似地，圖4（b）所示的速度幅度在各種情況下也有一些變化。接下來對(duì)這些變化進(jìn)行量化。
圖5 動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率變化的高溫合金的AM工藝圖(以IN718性能為基準(zhǔn))。左下方圓圈表示CMSX-10，中間附近圓圈表示RR1000，以供參考。(a)熔體池體積，(b)熔體池平均流速，(c)Reynolds數(shù)，(d) Péclet數(shù)，(e)質(zhì)量損失率，(f)孔隙率
圖5（a）-（d）顯示了熔池體積Vm、平均速度.在熔池中，Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)分別基于和。為了評(píng)估其他鎳基高溫合金的可制造性，還對(duì)兩種高溫合金（CMSX-10和RR1000）進(jìn)行了額外模擬，并包括在以下分析中。左下部分的圓圈表示CMSX-10，靠近中心的圓圈表示RR1000。動(dòng)態(tài)粘度越大，熔池體積越大。
大熔體池體積區(qū)域從左上角區(qū)域（大動(dòng)態(tài)粘度和小熱導(dǎo)率）延伸到右下角區(qū)域（小動(dòng)態(tài)粘度和大熱導(dǎo)率）。相比之下，動(dòng)態(tài)粘度越小，熔池中的平均速度越大。不過，從左上角到右下角也存在類似的趨勢(shì)。這表明，當(dāng)動(dòng)態(tài)粘度較大時(shí)，流動(dòng)速度較慢，傳熱也受此影響。從Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)的過程參數(shù)來看，趨勢(shì)更為明顯。Re的變化趨勢(shì)與熔池內(nèi)平均速度的變化趨勢(shì)相似。Pe也很大，從左上角到右下角的趨勢(shì)類似。Reynolds數(shù)的變化比Pe大，表明粘度場(chǎng)和速度場(chǎng)的作用相對(duì)較大。CMSX-10和RR1000的參考案例在地圖上顯示出類似的趨勢(shì)，這表明上述觀察到的粘度、導(dǎo)熱和流動(dòng)過程的趨勢(shì)通常適用于鎳基高溫合金。
4.討論：增材制造的可制造性
4.1. 多孔性
與上文報(bào)告不同，圖5中提出的AM圖展示了基于熱流體動(dòng)力學(xué)的AM建議材料工藝設(shè)計(jì)圖。由于CMSX-10和RR1000的附加結(jié)果也證實(shí)了熱流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)決定了AM工藝特性，因此各種鎳基高溫合金在孔隙度圖上疊加在動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率方面，如圖6所示。
圖6 基于動(dòng)態(tài)黏度和熱導(dǎo)率曲線的鎳基高溫合金3D可打印性圖，并通過CFD計(jì)算預(yù)測(cè)了過程誘導(dǎo)孔隙率。其他熱物理性質(zhì)保持不變。值得注意的是，ExpAM、ExpAM-mod和MAD542的動(dòng)態(tài)粘度分別為8.37、8.98和8.66 mPa s。
結(jié)果表明，較高的動(dòng)態(tài)粘度和導(dǎo)熱系數(shù)意味著較高的增材可制造性。在這里，Ti和Al含量都較低的高溫合金（即γ′前元素較少）具有較高的動(dòng)態(tài)粘度（>7.0MPa）s） 以及更高的導(dǎo)熱系數(shù)（>33WM?1K?1） 分別為。例如，高加工性合金IN625和IN718屬于該制度。
當(dāng)速度耗散較高時(shí)，流體流動(dòng)停滯，因此孔隙度較低。注意，由于較低的速度量級(jí)，從AM冷卻時(shí)，可能會(huì)發(fā)生沉淀開裂。相反，較低的動(dòng)態(tài)粘度可能導(dǎo)致流體流動(dòng)加速。這里，如果熱導(dǎo)率適中，則孔隙率較大。該區(qū)域的Reynolds數(shù)較大，最終導(dǎo)致較大的質(zhì)量損失。在高粘度和高熱傳導(dǎo)率區(qū)域，孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失相對(duì)較低，這與wroght合金中較低的γ′前體元素相對(duì)應(yīng)。相比之下，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)較低且粘度中等時(shí)，孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失相對(duì)較高。
4.2. 液體和固體中的冷卻速率
對(duì)熔池中的冷卻速度進(jìn)行評(píng)估，以獲得冶金見解。冷卻速率可以作為估算殘余應(yīng)力的一種度量，其中較大的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力。圖7（a）（b）顯示了與圖6相同的參數(shù)空間中的冷卻速率。在這里，熔池外圍溫度的時(shí)間變化用于冷卻速率計(jì)算，如圖7（c）所示，使用基準(zhǔn)IN718情況的數(shù)據(jù)。冷卻速率為負(fù)值，圖中的顏色條反轉(zhuǎn)以顯示量級(jí)的趨勢(shì)。
圖7（a） 根據(jù)動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率繪制熔池外圍的液體和（b）固體冷卻速率。（c）中的溫度分布是718情況下的基線，冷卻速率被提取為時(shí)間梯度。冷卻速率為負(fù)值，顏色條反轉(zhuǎn)以顯示量級(jí)的趨勢(shì)。
請(qǐng)注意，在固態(tài)冷卻中，該量級(jí)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。與圖中的其他合金相比，基線IM718的冷卻速度相對(duì)較慢。冷卻速率的大小與PE（圖5（D））和RE（圖5（C））的趨勢(shì)相關(guān)。這是很自然的，因?yàn)閭鳠岵粌H受熱傳導(dǎo)控制，而且由于液體中的對(duì)流效應(yīng)而增強(qiáng)。
在給定的工藝條件下，流體流量（Re）和熱流（Pe）之間的平衡應(yīng)為最佳，同時(shí)應(yīng)注意，這種關(guān)系是非線性的。鎳基高溫合金之間的相似性表明，通過考慮合金成分與物理性能之間的相關(guān)性，這種圖譜可用于理解增材制造的一般可制造性。
4.3. 揮發(fā)質(zhì)量損失/蒸發(fā)
圖8 關(guān)于熱導(dǎo)率和動(dòng)態(tài)粘度的質(zhì)量損失率。
蒸汽質(zhì)量損失率與高溫合金名稱一起繪制在圖8中，與導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)態(tài)粘度有關(guān)。質(zhì)量損失率（圖8）和孔隙度（圖6）具有很強(qiáng)的相關(guān)性。IN718是AM中最常用的，它位于質(zhì)量損失和孔隙度較小的區(qū)域。因此，孔隙度和質(zhì)量損失之間的相似性表明，孔隙度的附加可制造性標(biāo)準(zhǔn)也可用于估算質(zhì)量損失，即孔隙度越小，質(zhì)量損失越小。
這是很自然的，因?yàn)橘|(zhì)量損失是由蒸發(fā)引起的，孔隙度也是由蒸汽引起的。圖9（a）-（d）表示液體和固體中質(zhì)量損失、孔隙度和冷卻速率的Re和Pe相關(guān)性。如圖9（a）（b）所示，對(duì)于較大的Pe和Re條件，質(zhì)量損失率和孔隙率較大，在此條件下，流動(dòng)相對(duì)較大，熱量適度儲(chǔ)存在相對(duì)較大的熔體池中。
這表明，流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)地決定了蒸發(fā)引起的質(zhì)量損失率，這對(duì)于流體中孔隙的形成也是合理的。
圖9 (a)質(zhì)量損失率，(b)孔隙率，(c)液體冷卻率和(d)固體冷卻率相對(duì)于Re和Pe的等高線圖。本研究的病例覆蓋圖中的三角形區(qū)域。
此處觀察到的質(zhì)量損失率的Reynolds數(shù)和Péclet數(shù)依賴性與純?cè)氐馁|(zhì)量損失率相似，其中較大的Re主要決定較大的質(zhì)量損失，這表明在AM中考慮流動(dòng)過程的重要性。對(duì)于圖9（c）（d）中的冷卻速率，液體和固體速率相關(guān)?？傮w趨勢(shì)與質(zhì)量損失和孔隙度相似，但在中等Re和Pe區(qū)域存在一些差異。并發(fā)癥可能需要進(jìn)一步調(diào)查。根據(jù)工藝條件的不同，這些關(guān)系可能在數(shù)量上有所不同。但本研究中闡明的物理圖像將有助于理解AM中相關(guān)現(xiàn)象的影響。
最重要的是，從CFD計(jì)算和熱物理性能估算中可以注意到，根據(jù)工藝誘導(dǎo)孔隙率（圖6）、冷卻速率（圖7），為AM設(shè)計(jì)的新型鎳基高溫合金，如ABD-850AM、ABD-900AM、ExpAM、ExpAM mod和MAD542位于良好的增材可制造性區(qū)和質(zhì)量損失結(jié)果（圖8）。這強(qiáng)調(diào)了新合金對(duì)于成功的增材可制造性是必要的，通過組合和工藝特征之間的熱流體流程圖合理化。
顯示晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過程中枝晶間距調(diào)整的示意圖,實(shí)驗(yàn)觀察表明，枝晶一次間距可以調(diào)整為在最小端過度生長(zhǎng)和最大端分支所控制的范圍內(nèi)穩(wěn)定。例如，如果枝晶陣列的一個(gè)成員的間距太小，它將被其鄰居過度生長(zhǎng)。如果間距過大，第三臂的生長(zhǎng)將形成新的一次枝晶。
此外，除了熱流體流動(dòng)誘導(dǎo)效應(yīng)的孔隙率和揮發(fā)質(zhì)量損失標(biāo)準(zhǔn)之外，我們可以考慮基于原子學(xué)理解的組合物效應(yīng)的可制造性。這可能導(dǎo)致另一種與固體力學(xué)有關(guān)的缺陷，如開裂。此外，還需要進(jìn)行高通量表征和機(jī)械測(cè)試，以確定增材的可制造性以及熱力學(xué)原理的合理化。
該合成工藝方法首次可用于選擇具有特定加工路線/條件的特定材料，用于航空航天、能源或汽車應(yīng)用中的新材料設(shè)計(jì)、當(dāng)前工藝改進(jìn)和部件維修。這些可用于開拓金屬增材制造系統(tǒng)、熔焊以及熔模鑄造中金屬蒸汽動(dòng)力學(xué)的新研究領(lǐng)域。因此，可以使用熱物理性質(zhì)（例如粘度和導(dǎo)熱系數(shù)）作為增材可制造性指數(shù)來定制金屬增材可制造性。
5.總結(jié)與結(jié)論
為了使增材制造的可制造性合理化，對(duì)100多種鎳基高溫合金的金屬熱化學(xué)過程關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體結(jié)論如下：
1. 系統(tǒng)地研究了液體動(dòng)力粘度化學(xué)過程參數(shù)的成分依賴性，以繪制合金數(shù)、重元素含量、鋁含量和γ′體積分?jǐn)?shù)的化學(xué)過程圖。動(dòng)態(tài)粘度與鋁含量和γ′體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，γ′前體元素含量越高，動(dòng)態(tài)粘度越低。由此，確定了鎳基高溫合金動(dòng)態(tài)粘度的可能范圍和趨勢(shì)。
2. 使用動(dòng)態(tài)粘度與熱導(dǎo)率或Re和Pe的化學(xué)工藝參數(shù)對(duì)熱流體行為進(jìn)行分類。IN718是應(yīng)用最廣泛的附加制造鎳基高溫合金，已被用作CFD計(jì)算的基準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)粘度和熱導(dǎo)率實(shí)際上是不同的，以涵蓋上述鎳基高溫合金的map范圍，以了解流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，并將其熱流體特性合理化為良好的增材可制造性。Re和Pe越大，孔隙度越大。
3. 鎳基高溫合金中金屬蒸汽的質(zhì)量損失特性首次被開發(fā)出來，以使用基于液體性質(zhì)（如粘度、密度和導(dǎo)熱率）的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砗侠砘庸ば阅?。較大的蒸汽質(zhì)量損失與較高的孔隙率相關(guān)，這表明受熱物理性質(zhì)控制的熱流體流動(dòng)過程強(qiáng)烈影響增材的可制造性。基于孔隙度和揮發(fā)質(zhì)量損失或蒸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的增材可制造性圖已經(jīng)建立，以將鎳基高溫合金的成分與其熱物理性質(zhì)聯(lián)系起來，這有助于在0-1范圍內(nèi)設(shè)計(jì)成分一種可能用于L-PBF AM應(yīng)用的新型高溫合金的Al和Ti合金元素的重量百分比。
4.較高的動(dòng)態(tài)粘度（>7.0 mPas） 和導(dǎo)熱系數(shù)（>33WM?1K?1） 導(dǎo)致更高的增材可制造性。這是因?yàn)樗鼘?dǎo)致較低的流體速度形成孔隙，并且傳熱受到速度的影響。此外，液固相變會(huì)導(dǎo)致不同的冷卻速率，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的發(fā)展。粘度和導(dǎo)熱系數(shù)越高，液態(tài)和固態(tài)的冷卻速率越低。因此，熱流體模型也可用于評(píng)估特定合金的合適加工窗口。
5.有人建議，需要新的鎳基高溫合金才能成功地實(shí)現(xiàn)增材的可制造性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)合金已針對(duì)鑄造、成形或鍛造等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化?；瘜W(xué)過程無量綱參數(shù)Re和Pe可作為新型AM高溫合金的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
來源：Additivemanufacturability of superalloys: Process-induced porosity, cooling rate andmetal vapour，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102339
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