哈工大黄陆军顶刊丨激光调控细化晶粒，实现Haynes230在激光粉末床熔化过程的裂纹抑制

论文主要亮点： （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。 论文研究方法： 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。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！ 结果分析与讨论： 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。 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

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。

主要结论： 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。 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。