在最近发表在《增材制造快报》杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了平顶激光束在选择性激光熔化中用于开发纯镍 (Ni) 单晶的实用性。
研究：使用平顶激光束通过选择性激光熔化制造纯镍单晶。图片来源：Sebastian Janicki
背景由于高温部件使用量的增加，对通过增材制造制造的镍基高温合金部件的需求激增。最近的研究表明，利用电子束熔化可以成功地生产镍基单晶 (SX) 高温合金，而无需 SX 晶种。
关于使用选择性激光熔化 (SLM) 制造镍基 SX 高温合金的报道已有多篇报道。由于最上层快速加热引起的陡峭热梯度、下层温度较低以及有限的热导率，在 SLM 过程中控制缺陷和晶界 (GB)、应变抑制和织构均匀性是困难的。对于精确的结构控制，通常需要对扫描方法进行复杂的更改或使用 SX 种子。
在竣工的 SLM 产品中，重复的热机械循环会导致高应变和位错密度，从而导致动态再结晶 (DRX) 和新晶粒的产生。为了获得 SX 结构，有必要使用温度梯度和应变诱导变量来控制 SLM 产品中的晶粒结构。
大多数早期关于 SLM 中的纹理控制和微观结构的研究都使用了基于高斯的光束。目前没有研究对采用高角度晶界 (HAGB) 和平顶光束抑制的微结构创建过程进行广泛研究。
关于研究在这项研究中，作者检查了 SLM 中平顶激光轮廓在纯镍中制造 SX 结构的效用，而无需在 SLM 中使用 SX 构建板。SLM 280 HL 用于在 Ar 环境中制造 SLM。使用高纯度多晶镍板检查单个轨道以估计熔池形状。对于 Track 1 和 2，使用平顶光束，而 Track 3 使用高斯光束。
该团队在中间位置测量了 BD-HD 平面两侧的熔池深度。使用观察到的熔池几何形状组合创建多层。孵化间隙设置在 70 到 200 μm 之间，层厚保持在 30 μm。Microtrac S3500激光衍射粒度分析仪用于量化镍粉的平均粒度。使用 90° 旋转扫描方法对 SD-HD 平面进行激光扫描。在多晶不锈钢 304 板上打印圆柱形样品。
研究人员用#320 和#600 砂纸对所有样品进行切片和研磨，然后用金刚石和胶体二氧化硅悬浮液进行机械抛光。使用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)研究样品的微观结构。
观察使用基于 Nye 张量的 Pantleon 建模，该模型利用 (111)<110> FCC 滑移系统上的 18 个几何位错配置，FT1、FT2 和 G1 中的 GND 计算为 0.71x10 14、1.07x10 14和 1.28x10 14 /m2，分别。无论位置如何，FT1 和 FT2 的 GND 分布都相当。FT1 区域 1 和 2 中的 GND 值分别为 0.90 x10 14 /m2 和 0.89 x10 14 /m2。FT2 中区域 3 和 4 之间的 GND 差异微不足道，分别为 0.99x10 14 /m2 和 0.77x10 14 /m2。G1 的 GND 分布不均匀，代表熔池中心的区域 5 的 GND 值为 1.70 x1014个/平方米。
靠近熔池边缘、G1 区域 6 的 GND 值为 0.67x10 14 /m 2。发现 FT1 中 SX 结构的纹理在 [017]<100> 附近，这表明与 BD 的偏差为 ±8°。ET = 6.25 J/mm 2的第 3 道深度为 148.06 微米，比其宽度 144.48 微米更深，这表明它是基于高斯的。在 ET = 5.10 J/mm 2的 Track 1 中，熔池宽度和深度分别测量为 143.67 和 20 μm。第 2 道的宽度和深度分别为 488.98 μm 和 68.79 μm，ET 更大，为 8.57 J/mm2。
平面熔池的发展源于对参数的优化。在不使用 SX 种子的情况下，在大于 20 毫米的高建筑高度中产生了具有抑制 HAGB 的均匀近 (001)<100> 纹理。
此外，平面熔池通过抑制几何所需的位错累积和应变诱导的连续动态再结晶来阻碍 HAGB 的形成。在不使用 SX 种子的情况下，有效地创建了具有均匀近 (001)<100> 结构和抑制 HAGB 的 SX 结构。
结论总之，本研究通过使用没有 SX 种子的 SLM，通过优化具有平顶光束的平面熔池，阐明了由纯 Ni 和受抑制的 HAGB 组成的均质近 (001)<100> SX 结构的发展。
平面熔池有助于沿 BD 保持几乎均匀的近 (001)<100> 发展，同时还限制了应变积累，这可能导致连续动态再结晶 (CDRX) 诱导的 HAGB 产生。作者提到，由平顶光束产生的平面熔池在不使用 SX 种子的情况下实现 SX 结构，预计将在未来的工作中用于更广泛的金属和合金。
他们认为，在 SLM 工艺中实施多个激光概念，特别是用于生成 SX 结构，将为获得所需微结构和相关属性所需的程序带来新的见解。
