在最近發表在《增材制造快報》雜志上的一篇文章中，研究人員討論了平頂激光束在選擇性激光熔化中用于開發純鎳 (Ni) 單晶的實用性。
研究：使用平頂激光束通過選擇性激光熔化制造純鎳單晶。圖片來源：Sebastian Janicki
背景由于高溫部件使用量的增加，對通過增材制造制造的鎳基高溫合金部件的需求激增。最近的研究表明，利用電子束熔化可以成功地生產鎳基單晶 (SX) 高溫合金，而無需 SX 晶種。
關于使用選擇性激光熔化 (SLM) 制造鎳基 SX 高溫合金的報道已有多篇報道。由于最上層快速加熱引起的陡峭熱梯度、下層溫度較低以及有限的熱導率，在 SLM 過程中控制缺陷和晶界 (GB)、應變抑制和織構均勻性是困難的。對于精確的結構控制，通常需要對掃描方法進行復雜的更改或使用 SX 種子。
在竣工的 SLM 產品中，重復的熱機械循環會導致高應變和位錯密度，從而導致動態再結晶 (DRX) 和新晶粒的產生。為了獲得 SX 結構，有必要使用溫度梯度和應變誘導變量來控制 SLM 產品中的晶粒結構。
大多數早期關于 SLM 中的紋理控制和微觀結構的研究都使用了基于高斯的光束。目前沒有研究對采用高角度晶界 (HAGB) 和平頂光束抑制的微結構創建過程進行廣泛研究。
關于研究在這項研究中，作者檢查了 SLM 中平頂激光輪廓在純鎳中制造 SX 結構的效用，而無需在 SLM 中使用 SX 構建板。SLM 280 HL 用于在 Ar 環境中制造 SLM。使用高純度多晶鎳板檢查單個軌道以估計熔池形狀。對于 Track 1 和 2，使用平頂光束，而 Track 3 使用高斯光束。
該團隊在中間位置測量了 BD-HD 平面兩側的熔池深度。使用觀察到的熔池幾何形狀組合創建多層。孵化間隙設置在 70 到 200 μm 之間，層厚保持在 30 μm。Microtrac S3500激光衍射粒度分析儀用于量化鎳粉的平均粒度。使用 90° 旋轉掃描方法對 SD-HD 平面進行激光掃描。在多晶不銹鋼 304 板上打印圓柱形樣品。
研究人員用#320 和#600 砂紙對所有樣品進行切片和研磨，然后用金剛石和膠體二氧化硅懸浮液進行機械拋光。使用掃描電子顯微鏡(SEM)和電子背散射衍射(EBSD)研究樣品的微觀結構。
觀察使用基于 Nye 張量的 Pantleon 建模，該模型利用 (111)<110> FCC 滑移系統上的 18 個幾何位錯配置，FT1、FT2 和 G1 中的 GND 計算為 0.71x10 14、1.07x10 14和 1.28x10 14 /m2，分別。無論位置如何，FT1 和 FT2 的 GND 分布都相當。FT1 區域 1 和 2 中的 GND 值分別為 0.90 x10 14 /m2 和 0.89 x10 14 /m2。FT2 中區域 3 和 4 之間的 GND 差異微不足道，分別為 0.99x10 14 /m2 和 0.77x10 14 /m2。G1 的 GND 分布不均勻，代表熔池中心的區域 5 的 GND 值為 1.70 x1014個/平方米。
靠近熔池邊緣、G1 區域 6 的 GND 值為 0.67x10 14 /m 2。發現 FT1 中 SX 結構的紋理在 [017]<100> 附近，這表明與 BD 的偏差為 ±8°。ET = 6.25 J/mm 2的第 3 道深度為 148.06 微米，比其寬度 144.48 微米更深，這表明它是基于高斯的。在 ET = 5.10 J/mm 2的 Track 1 中，熔池寬度和深度分別測量為 143.67 和 20 μm。第 2 道的寬度和深度分別為 488.98 μm 和 68.79 μm，ET 更大，為 8.57 J/mm2。
平面熔池的發展源于對參數的優化。在不使用 SX 種子的情況下，在大于 20 毫米的高建筑高度中產生了具有抑制 HAGB 的均勻近 (001)<100> 紋理。
此外，平面熔池通過抑制幾何所需的位錯累積和應變誘導的連續動態再結晶來阻礙 HAGB 的形成。在不使用 SX 種子的情況下，有效地創建了具有均勻近 (001)<100> 結構和抑制 HAGB 的 SX 結構。
結論總之，本研究通過使用沒有 SX 種子的 SLM，通過優化具有平頂光束的平面熔池，闡明了由純 Ni 和受抑制的 HAGB 組成的均質近 (001)<100> SX 結構的發展。
平面熔池有助于沿 BD 保持幾乎均勻的近 (001)<100> 發展，同時還限制了應變積累，這可能導致連續動態再結晶 (CDRX) 誘導的 HAGB 產生。作者提到，由平頂光束產生的平面熔池在不使用 SX 種子的情況下實現 SX 結構，預計將在未來的工作中用于更廣泛的金屬和合金。
他們認為，在 SLM 工藝中實施多個激光概念，特別是用于生成 SX 結構，將為獲得所需微結構和相關屬性所需的程序帶來新的見解。
