准连续激光-电磁动态调控增材制造镍基合金熔池凝固的机理研究

Functionally-graded component realizes its property grads by spatial arrangement of different microstructure and grain morphology, and it has important application prospects in many fields, such as aerospace, defense, military. At present, it is difficult to realize the locally spatial customization of microstructure and property of the functionally-graded component using traditional processing methods. This project proposes a laser processing method regulated under the composite energy field coupling quasi-continuous-wave and electromagnetic field to dynamically control the molten pool for tailoring the microstructure and property of the components. A mathematical model of quasi-continuous-wave and electromagnetic field additive manufacturing process is established to study dynamic fluctuation laws of molten pool and their influence mechanisms on solidification microstructure. The critical process parameters and mechanism for solidification microstructure transformation are summarized. The mapping relationship between process parameters, target microstructures and mechanical properties is obtained. This project is expected to enrich the non-equilibrium rapid solidification theory and expand current methods for controlling microstructure and mechanical property during laser additive manufacturing of nickel-based superalloy. Simultaneously, it also will provide theoretical and experimental basis for laser directly manufacturing functionally-graded component with more freedom.

功能梯度构件通过不同组织形态的空间布局实现其梯度性能，在航空航天和国防军工等领域具有重要应用前景。目前，采用传统加工方法难以实现此类功能梯度构件组织及性能的定制化制造。本项目提出采用准连续激光-可调电磁场复合能场对熔池进行动态激励以实现凝固组织及性能的局部精确调控。本项目拟通过建立准连续激光-电磁场复合增材制造三维宏观多物理场数值模型，结合实验观测与表征手段，揭示准连续激光-电磁场复合动态激励下熔池动态行为和凝固条件波动机理，并与微观晶体生长模型耦合，分析熔池波动对凝固组织的影响机理；通过优化准连续激光-电磁场复合动态激励参数，探寻动态激励下凝固组织转变机理及临界条件，获得工艺参数—目标组织—力学性能的映射关系。本项目将丰富与发展非平衡快速凝固理论，为镍基合金直接激光制造微观组织及性能的定制化调控提供新途径和方案，为实现更大自由的功能梯度构件设计与制造提供重要理论及实验依据。

镍基功能梯度构件在航空航天、国防军工及生物医疗等领域具有重要应用前景。激光增材制造技术在净成形制造镍基功能梯度构件方面具有巨大的潜力。目前激光增材制造功能梯度构件还存在诸多亟待解决的问题。如何精准调控凝固组织和力学性能阻碍着激光增材制造镍基功能构件技术的发展。本项目将准连续激光与可调控电磁场耦合，形成准连续激光-电磁复合增材制造新工艺，并制备出微观组织精准调控的镍基双合金功能梯度构件。主要研究内容和结果如下：.（1）通过建立准连续激光-电磁复合增材制造三维宏观多物理场数值模型，结合实验观测与表征手段，揭示了准连续激光动态激励下光-粉相互作用、温度场、熔池、流场等动态演变行为和凝固条件波动机理。研究表明，在复合能场动态激励下，熔池呈现周期性扩张-收缩行为和凝固界面的复杂波动行为。相邻两个脉冲熔池以搭接的方式衔接。当激光频率小于临界值时，熔池收缩过程中实现完全凝固，当激光频率高于临界值时，熔池收缩过程中不能完全凝固，并随脉冲频率增加逐步趋向稳态熔池。熔池的心跳式波动行为给熔池凝固组织的调控提供了更高的自由度。.（2）结合微观晶体生长模型与实验表征，分析熔池波动对凝固组织的影响机理，获得动态激励下凝固组织的转变条件。研究结果表明，准连续激光的脉冲频率、功率、光斑大小等工艺参数，可以有效改变凝固界面上的凝固条件以及波动行为，从而调控熔池凝固组织的形态，影响构件的宏观力学性能。不同的工艺参数组合策略，可以有效地改变跨层凝固组织的取向和晶粒大小。.（3）通过对双材质过渡界面上凝固缺陷的分析，并开发出基于机械振动的辅助优化方法，从而实现了材料-组织双梯度过渡的样件制造。通过实时动态调整构件局部的工艺参数，实现了凝固组织的定制化精准制造。.本项目的实施解决了激光增材制造镍基合金凝固组织局部精准调控和宏观定制化制造的关键技术问题，为发展我国高性能功能梯度构件的激光增材制造提供了理论基础。