供稿人:张金智 张安峰 发布日期：2017-10-06
激光增材制造（LaserAdditiveManufacturing,LAM）技术目前被应用于快速成型、涂层、工装和零件修理、新合金的包覆和设计,以及功能梯度材料等各个方面。细等轴晶粒对于激光增材制造零件有两点好处：第一，在沉积过程中，细晶粒有助于降低对裂纹的敏感性；第二，细晶粒可改善钢和不锈钢的沉积层的延展性和断裂韧性。一般来说，快速凝固和高冷却速率会得到精细的微观结构。
加拿大滑铁卢大学的Farshidianfar等人研发了一种闭环实时热监测装置，利用冷却速率、扫描速度和熔覆层微观组织的关系，建立了一种新颖的反馈PID控制器来控制冷却速率，通过调整扫描速度保持所需位置的冷却速率。装置中包括德国耶拿IR-TCM 384相机模块，分辨率为384×288 像素，测量精度为±2%，用于监测激光增材制造的热过程，红外热成像可以直接实时测量熔池的冷却速率和温度。
图1 激光增材制造装置示意图
图2 红外热成像实时监测反馈原理图
研究人员使用粒度325目以上的316L不锈钢粉末，AISI1030中碳钢基材进行实验。热成像图形中，最大RGB值的像素点代表熔池。熔池温度是将最大元素值与图像阵列内的环绕元素的值取平均值。在凝固过程中，随着时间的推移，熔池的温度降低，从而计算出冷却速率。
图3 试样冷却速率a）和 熔池温度b），用于研究冷却速率对微观结构演化的影响： B1（v = 25mm/min），B2（v = 50mm/min），B3（v = 100mm/min），B4（v = 200mm/min）
表1 试样平均冷却速率和熔池温度
图4 高倍显微镜下的试样晶粒尺寸
表2 试样的晶粒大小
实验结果表明，晶粒尺寸与实时冷却速率之间存在显著的相关性。每单位面积晶粒数随冷却速率的增加而增加，另一方面，晶粒直径随冷却时间的增加而减小。一般来说，冷却速率对以下几方面有直接影响：（1）微结构中奥氏体和铁素体相的体积百分比，（2）这些相的形成和生长（3）晶界和晶粒尺寸。