帥三三1, 林鑫2, 肖武泉1, 余建波1, 王江1, , 任忠鳴1

1 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室 上海 200072
2 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室 西安 710072

摘要

關(guān)鍵詞： 增材制造 ; 橫向靜磁場 ; Al-12%Si合金 ; CET轉(zhuǎn)變 ; 熱電磁力

激光熔化金屬增材制造(3D打印)是一種通過使用激光束照射熔化金屬粉末或絲材,激光移除后微小熔池快速凝固,從而由三維數(shù)字模型直接堆積形成三維構(gòu)件的制造技術(shù)。由于這一“點-線-面-體”的成型特點,使之可制造幾乎任何形狀的構(gòu)件,在航空航天等高端裝備用復(fù)雜構(gòu)件制造中,3D打印顯示了突出的優(yōu)勢,具有廣闊的應(yīng)用前景。激光熔化金屬增材制造的本質(zhì)物理過程是粉末或絲材受高能激光束(105~107 W/cm2)加熱熔化,脫離激光照射后受金屬襯底或前一層合金的強冷作用在極短時間內(nèi)(10-3~10-2 s)和高溫度梯度下(105~107 K/m)的快速凝固[1,2]。其凝固結(jié)晶機制是在已有襯底或前一層合金上的外延生長與形核混合。由于該過程決定了構(gòu)件的凝固組織,進而影響其使用力學(xué)性能,如何主動調(diào)控3D打印中的這一快速凝固過程始終是該領(lǐng)域的一個研究重點,亦是相關(guān)冶金工作者們所關(guān)心的問題,許多研究者針對此開展了大量研究。

Kobryn和Semiatin[3]進行了Ti-6Al-4V的激光沉積實驗,研究了激光功率和掃描速率對顯微組織、孔隙率和熔覆層高度的影響,發(fā)現(xiàn)柱狀晶的寬度隨激光掃描速率的增加而減小。這是因為提高掃描速率能夠增加材料的冷卻速率,從而細(xì)化晶粒,并首次提出了激光增材制造加工參數(shù)和顯微組織之間的關(guān)系。王小艷等[4]采用300 W的YAG激光器對7050鋁合金預(yù)拉伸板進行激光熔覆實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)單點激光輸入能量由160 J增加到190 J時,結(jié)合界面的裂紋缺陷顯著改善,這一輸入能量繼續(xù)由190 J增大到220 J,并且同時使得脈寬由3 ms增加到5 ms時,界面獲得了良好的冶金結(jié)合。Siddique等[5]通過研究選區(qū)激光熔化(SLM)加工Al-12%Si (質(zhì)量分?jǐn)?shù))過程誘發(fā)的組織缺陷和對力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn),在20 J/mm3的低能量密度時零件致密度為92.20%,而在39.6 J/mm3的高能量密度下時,致密度可達(dá)99%,說明高的激光能量密度可以有效減小零件的氣孔。Song等[6]研究了激光立體成型2Cr13不銹鋼中反應(yīng)氣氛對沉積特征的影響,使用激光立體成型技術(shù)分別在空氣、Ar氣和N2條件下進行了一系列的單道熔覆和塊狀試樣實驗。作者分析發(fā)現(xiàn),不同的反應(yīng)氣氛對沉積特征的影響主要是改變了有效能量輸入以及熔池形狀。具體地,在空氣中發(fā)生的放熱氧化反應(yīng)增加了熔池的有效能量輸入,大量的熱使得熔池發(fā)生較大的變形,提高了單道熔覆的高度和寬度;在Ar氣中產(chǎn)生大量的等離子流弱化了激光的照射,熔池的變形程度最小,但同時具有加熱基體的作用。Liu等[7]研究了掃描路徑對激光立體成型鎳基高溫合金Inconel 718的組織和力學(xué)性能的影響,使用單向光柵掃描和橫向光柵掃描2種不同的激光掃描路徑。實驗結(jié)果顯示,單向光柵掃描試樣的組織由柱狀晶組成,沿沉積方向外延生長。在橫向光柵掃描實驗中,柱狀晶的連續(xù)定向生長被抑制,樹枝晶在2個連接層的方向偏差增加。同時發(fā)現(xiàn)橫向光柵掃描試樣晶粒要比單向光柵掃描試樣更細(xì)小。可以看出,現(xiàn)有激光熔化3D打印構(gòu)件凝固組織的調(diào)控手段大都限于“熱手段”,即改變激光的加熱功率、加熱速率、襯底和前層合金的冷卻等。即使歐美等現(xiàn)行研究項目已經(jīng)出現(xiàn)添加晶粒細(xì)化劑、采用超聲振蕩以及邊成型邊軋制的凝固過程/組織干預(yù)方法,但這些方法增加了金屬3D打印工藝的復(fù)雜程度或者具有引入新雜質(zhì)元素的風(fēng)險。

電磁場是一種金屬凝固控制的有效手段,合理地施加磁場可以實現(xiàn)晶體/晶粒的排列生長[8,9,10,11],溶質(zhì)/初生相/夾雜物的分布控制[12]、觸發(fā)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)[13,14]、抑制金屬流動[15,16,17]、引發(fā)熱電磁流動[18,19,20]及其產(chǎn)生作用于固相的熱電磁力[21,22,23]等。例如,Geotz和Hasler[8]研究磁場下單晶Bi的生長情況時發(fā)現(xiàn),單晶Bi最小磁化率所對應(yīng)的晶體學(xué)方向平行于磁力線方向。1981年,Mikclson和Karklin[24]對磁各向異性的晶體在均恒磁場中由于受到力矩的作用使取向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象做出了解釋：在穩(wěn)恒磁場中,順磁性晶體中磁化率最大的晶軸將會與外加磁場方向平行,而抗磁性晶體中磁化率絕對值最大的方向會垂直于磁場方向。Tiller等[12]指出,當(dāng)磁場強度足夠大時,結(jié)晶凝固可能會消除對流對固/液界面處溶質(zhì)分離的擾動,進而得到成分均勻的組織。王長久等[25]研究了強磁場對Al-7%Si (質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金凝固過程中初生α-Al枝晶分布的影響,發(fā)現(xiàn)強磁場可以抑制溶質(zhì)Si向液相擴散,使初生α-Al枝晶中Si含量過飽和。Li等[21,26]研究了Al-Cu合金在施加磁場條件下的定向凝固行為,發(fā)現(xiàn)靜磁場不但可以抑制溶體流動,還可以促發(fā)新的熱電磁流,是凝固過程中固/液界面處固有熱電流與外加磁場交互作用產(chǎn)生的熱電磁力的結(jié)果。在較弱的磁場條件下,熱電磁流對胞晶形貌和胞狀固/液界面形貌有很大影響。在較強的磁場作用下,固相中的熱電磁力形成了扭矩,導(dǎo)致枝晶斷裂。

從以上研究可以看出,施加電磁場對一般金屬凝固過程(定向及體凝固)具有顯著影響。但電磁場對于激光熔化3D打印中微小金屬熔池快速凝固過程的影響及其影響機理仍是需要深入研究的問題。這一研究的開展也將為采用電磁場進行激光熔化3D打印構(gòu)件凝固組織的主動控制提供理論依據(jù)。余小斌[27]以及王維等[28]已經(jīng)針對旋轉(zhuǎn)磁場對激光熔化3D打印GH4169合金凝固組織的影響進行了初步研究,結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)磁場施加使得GH4169高溫合金凝固組織中Laves相含量減少;隨著磁場強度的增強,Laves相形貌由不規(guī)則蠕蟲狀變成顆粒狀。但相關(guān)報道仍舊較少,特別是對于穩(wěn)恒磁場的影響尚未見報道。圍繞這一問題,本工作采用噴粉式激光熔化3D打印工藝,研究了外加橫向穩(wěn)恒磁場對3D打印Al-12%Si合金構(gòu)件凝固組織的影響。選取Al-Si合金作為研究對象,一方面是因為其熱物性參數(shù)較為完備,可以較為準(zhǔn)確地進行穩(wěn)橫磁場下熱電磁效應(yīng)及其磁流體力學(xué)的相關(guān)計算;另一方面,鋁合金體系的激光熔化增材制造成型本身也是一個值得研究的難點。

1 實驗方法

送粉式激光熔化3D打印實驗在AXL-AW700型非標(biāo)自動激光立體成型機上完成,該立體成型機由AXL-700 W脈沖YAG激光器、X-Y二軸聯(lián)動工作臺和重力送粉系統(tǒng)3部分構(gòu)成,圖1a是其實物圖。其主要參數(shù)如下：AXL脈沖激光器的激光能量0~700 W連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)精度為3.5 W;激光脈寬0~8 ms連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)精度為0.1 ms;激光頻率0~15.4 Hz連續(xù)可調(diào),精度為0.1 Hz;X-Y二軸工作臺的最大行程均為±600 mm,行進速率0~300 mm/min連續(xù)可調(diào),精度為1 mm/s;重力送粉器送粉量0~10 g/s連續(xù)可調(diào),精度為1 g/s。3D打印過程中激光掃描速率的變化通過調(diào)節(jié)該工作平臺行進速率實現(xiàn)。如圖1b所示,實驗中通過在試樣兩側(cè)設(shè)置2塊50 mm×40 mm×80 mm的燒結(jié)NbFeB永磁鐵產(chǎn)生0.35 T橫向穩(wěn)橫磁場。實驗所用粉末為Al-12%Si合金粉,其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為：Si 12.00, Fe 0.18,Cu 0.03,Zn<0.01,Mn<0.01,Mg<0.01,Al余量。由于噴粉式激光熔化3D打印對所用粉末流動性要求較高,粉末粒度選擇直徑50~100 μm范圍,圖2為所選用粉末的掃描電鏡(SEM)形貌圖及其粒度分布(測量結(jié)果來自Mastersizer2000激光粒度分析儀)。用平均孔洞直徑74 μm篩子篩取適量粉末,置于恒溫80 ℃的真空干燥箱中烘干12 h以上后用以進行激光熔化3D打印實驗。

圖1   實驗設(shè)備實物圖及磁場設(shè)置示意圖

Fig.1   Experimental apparatus (a) and schematic of magnetic field setup (b)

圖2   Al-12%Si合金粉末形貌及其粒度分布

Fig.2   Morphology (a) and size distribution (b) of Al-12%Si powders

為確保成型試樣與基板良好的焊接,選用尺寸為500 mm×80 mm×60 mm的4047鋁合金作為基板,通過螺紋固定于X-Y工作臺,采用如圖1b中的激光掃描路徑,在打開送粉器之前首先打開激光器,進行一次無送粉的激光熔化過程,使基板預(yù)熱。送粉器在激光開始第二次掃描時同時打開,通過調(diào)節(jié)送粉量、激光掃描速率及其激光能量,探索Al-12%Si合金的激光熔化3D打印成型條件。用石英砂紙對3D打印成型試樣進行打磨,拋光后采用100 mL H2O+25 mL HNO3+15 mL HCl+10 mL HF配制成的腐蝕液進行組織腐蝕,腐蝕時間10~12 s。用DM6000光學(xué)顯微鏡(OM)進行金相及組織觀察,采用Image J圖像處理軟件對金相照片中一定灰度值以上的面積分?jǐn)?shù)進行統(tǒng)計測算成型試樣的致密度。

2 實驗結(jié)果

在激光熔化增材制造過程中,構(gòu)件的成型是激光能量、掃描速率、層高、送粉量等多參數(shù)合理配合的結(jié)果。圖3a為不同送粉量下的單層沉積試樣。可以看出,送粉量過大(圖中右側(cè)虛線矩形框內(nèi)試樣)或者過小(圖中左側(cè)實線矩形框內(nèi)試樣)都會顯著影響試樣的沉積質(zhì)量,多次沉積后表面缺陷不斷累積,將難以成型。選定送粉量為30 g/min不變,不同激光能量、不同掃描速率下制得薄壁單道試樣的致密度如圖3b所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),無論是激光能量還是激光掃描速率,對成型試樣致密度均為非線性的復(fù)雜影響。為了減少由于打印參數(shù)對實驗結(jié)果帶來的影響,本工作選取了測試時可以獲得致密度為98.35%試樣的工藝參數(shù)(送粉量：30 g/min,激光能量：600 W,激光掃描速率：4.2 mm/s)進行橫向穩(wěn)恒靜磁場對激光熔化3D打印試樣凝固組織影響的研究。圖3c為該參數(shù)條件下制備的單道薄壁試樣實物圖。

圖3   不同送粉量下單層沉積宏觀形貌,不同激光能量和掃描速率下單道薄壁試樣致密度曲線,以及最佳參數(shù)(送粉量：30 g/min,激光能量：600 W,掃描速率：4.2 mm/s)下制得的單道薄壁試樣實物圖

Fig.3   Macroscopic morphology of single layer deposition under different powder feeding capacities (a), denity curves of single-channel thin-wall specimens with different laser energies and scanning speeds (Insets show the samples with the lowest and highest fraction of porosity, respectively) (b), and additive manufactured specimen using optimum parameters under the conditions of the single-channel thin-wall sample physical map (feeding capacity: 30 g/min, laser energy: 600 W, scanning speed: 4.2 mm/s) (c)

選取如圖4a所示的3D打印單道薄壁墻試樣,截取圖4a中黑色線框部位進行表征分析。圖4b是從圖4a的中間部位截取的組織示意圖,圖4c~f分別是試樣在0和0.35 T的磁場強度下縱截面和側(cè)截面整體組織變化情況。由圖中可以明顯看出,沉積試樣呈現(xiàn)層狀堆積的形態(tài),Al-12%Si激光熔化增材制造后的組織主要是α-Al相(白亮帶)和Al-Si共晶相+少量的α-Al相(灰暗區(qū))為基本單元疊加構(gòu)成,一般把水平的白色條帶稱為“層界面”。無磁場條件下試樣存在很多氣孔缺陷(圖4c),致密度約為87.89%;而施加了磁場作用以后,試樣的氣孔缺陷得到明顯的改善(圖4d),致密度達(dá)到95.47%。

圖4   3D打印Al-12%Si試樣縱截面和側(cè)截面的整體組織形貌

Fig.4   The overall morphologies of macro and microstructure of longitudinal and side sections (B—magnetic field intensity)(a) single channel thin-wall sample(b) organization diagram cut out in Fig.4a(c, d) the overall morphologies of longitudinal sections without and with magnetic field intensity of 0.35 T(e, f) the overall morphologies of side-section without and with magnetic field intensity of 0.35 T

圖5所示是從圖4c和d中方框位置分別截取的0和0.35 T磁場強度下單道薄壁墻縱截面頂部、中部和底部的微觀組織。在試樣的不同高度的位置上,灰暗區(qū)內(nèi)的組織存在差別。如圖5e所示,在無磁場作用下靠近試樣的底部區(qū)域,灰暗區(qū)還存在明、暗相間的斜向上弧狀界面,稱之為“珠界面”,該界面的形成是由于實驗中使用的是脈沖激光器,不連續(xù)的激光使得每一層的成形過程由一顆顆熔池珠疊加而成。珠界面是激光走過的軌跡,也是重熔界面[29]。在灰暗區(qū)中α-Al相組織主要是以柱狀枝晶為主,方向垂直于珠界面生長。初始幾層成形時,基板可以吸收熔池大量的熱量,此時熔池凝固速率較快,從激光停止到下一點激光發(fā)出時,熔池能夠快速凝固,下一點激光打下來時就會在已凝固的組織上形成一個重熔界面。由于單道薄壁墻的沉積特性,熱量主要通過已凝固的固相傳遞到基板再排出,伴隨著熔覆高度的提高,基板的溫度提高,熔池的凝固速率減慢,導(dǎo)致熔池不能在兩點激光的短暫停頓間隙完全凝固,因此當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的沉積高度后,珠界面消失[30]。同時,隨著沉積高度的提高,組織也在發(fā)生變化,當(dāng)成型到一定高度時,不僅珠界面逐漸消失,灰暗區(qū)內(nèi)的α-Al相轉(zhuǎn)變成如圖5c所示的形貌,主要呈柱狀,方向沿著沉積方向豎直往上,在枝晶間區(qū)域存在非常細(xì)小且致密的共晶組織。隨著沉積高度的進一步提高,如圖5a所示的試樣頂部,灰色區(qū)域α-Al相依然以豎直向上的柱狀晶為主,同時伴隨著極少量的等軸晶,這主要是由于試樣頂部的熱量從空氣中散失導(dǎo)致的。圖5b、d和f為0.35 T磁場下制備樣品的OM像,對比圖5e和f可以看到,0.35 T磁場下試樣底部區(qū)域同樣存在珠界面,此時垂直于珠界面的柱狀枝晶消失,由大量等軸狀α-Al相分布于珠界面周圍的組織所代替。試樣中部(圖5d)和頂部(圖5b),α-Al相的組織同樣發(fā)生了很大的變化,灰暗區(qū)域中沿激光掃描方向豎直向上生長的柱狀枝晶消失,由取向不明顯、細(xì)小雜亂的等軸狀組織所代替,等軸晶組織的尺寸也得到細(xì)化。無磁場作用時,在試樣的不同位置,α-Al相均以大量柱狀枝晶為主要形貌;在0.35 T磁場強度下,α-Al相則是以大量等軸晶為主要形貌,說明磁場的作用從一定程度上促使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。對比圖5a和b、5c和d以及5e和f可以清楚地看出,在施加了0.35 T磁場強度以后,試樣的頂部、中部和底部的組織均發(fā)生明顯的變化,在磁場的作用下,原來定向生長的枝晶都變成了等軸枝晶。

圖5   激光熔化Al-12%Si試樣不同位置的OM像

Fig.5   Top (a, b), central (c, d) and bottom (e, f) OM images of Al-12%Si samples by laser melting (regions extract from black box in Figs.4c and d) without (a, c, e) and with (b, d, f) 0.35 T magnetic field intensity (VS—scan speed of laser)

圖6為圖5所示方框區(qū)域進一步放大以后觀察到的0和0.35 T磁場強度下組織的典型枝晶形貌。由圖6c可知,試樣中部在未施加磁場條件下,柱狀晶一次枝晶臂非常發(fā)達(dá),二次枝晶臂較短,無明顯三次枝晶臂的存在;在施加0.35 T的磁場強度后,如圖6b和d中所示,在試樣頂部和中間區(qū)域一次枝晶臂被打斷,定向生長的柱狀枝晶消失,轉(zhuǎn)變成等軸生長枝晶,而且二次枝晶臂和三次枝晶臂變的發(fā)達(dá)。在試樣底部(圖6e和f)也可以觀察到類似的變化,雖然柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變不是非常顯著,但是也可以明顯發(fā)現(xiàn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的趨勢,在部分區(qū)域形成了等軸晶組織,枝晶結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多樣。實驗結(jié)果表明,磁場的引入不僅使得α-Al相由柱狀晶向等軸晶發(fā)生轉(zhuǎn)變,同時也促進了高次枝晶臂的發(fā)展。

圖6   高放大倍數(shù)條件下激光熔化Al-12%Si試樣不同位置的OM像

Fig.6   Top (a, b), central (c, d) and bottom (e, f) high magnification OM images of Al-12%Si samples by laser melting (regions extract from black box in Fig.5) without (a, c, e) and with 0.35 T (b, d, f) magnetic field intensity

3 分析討論

Al-12%Si合金在凝固時,由于激光熔化增材制造沿著沉積方向相反的傳熱特性,在熔池界面處存在較高的溫度梯度,最先析出的初生相α-Al沿著沉積方向豎直向上生長,同時熔體中存在劇烈的對流,枝晶主干周圍排出溶質(zhì)被快速帶離固/液界面處而使得高次枝晶臂生長受到抑制。在激光熔化增材制造過程中,熔池的固/液界面是非等溫界面,存在很大的溫度差ΔT,導(dǎo)致固/液兩相具有不同的熱電勢ηS和ηL。由于合金中初生相和熔體都是導(dǎo)電體,把固/液界面前沿的局部區(qū)域看成是閉合回路,從而在枝晶上下端產(chǎn)生熱電勢差ΔV=(ηS+ηL)ΔT,從而形成熱電流JTE (圖7a和b所示),在外加磁場B作用下產(chǎn)生熱電磁力FS=JTE×B。作用于初生α-Al枝晶上的熱電磁力FS為[14]：

${?}_{\mathrm{S}}={?}_{\mathrm{TE}}\times ?=\frac{-{?}_{\mathrm{L}}{?}_{\mathrm{S}}{?}_{\mathrm{L}}}{{?}_{\mathrm{L}}{?}_{\mathrm{L}}+{?}_{\mathrm{S}}{?}_{\mathrm{S}}}({?}_{\mathrm{S}}-{?}_{\mathrm{L}})\mathrm{\Delta }?\times ?$(1)

式中,σS=13.7×106 Ω-1m-1和σL=3.8×106 Ω-1m-1,分別表示固相和液相的電導(dǎo)率;fS和fL表示固/液兩相的體積分?jǐn)?shù);SS=1.1×10-6 V/K和SL=1.0×10-7 V/K,分別表示固/液兩相的溫差電勢率或絕對Seeback系數(shù)。式(1)顯示熱電磁力隨著磁場強度的增強而增大,通常激光熔化增材制造的溫度梯度為106 K/m[1],通過式(1)計算,可以估算初生α-Al相在施加0.35 T穩(wěn)恒磁場時所受到的熱電磁力可達(dá)105 N/m3量級,這個力足以使部分枝晶或枝晶臂發(fā)生斷裂(圖7c),從而導(dǎo)致實驗結(jié)果中所觀察到的CET現(xiàn)象[14]。

圖7   橫向穩(wěn)恒磁場下熔池中熱電磁力對枝晶影響的示意圖

Fig.7   Schematics of effect of thermoelectric magnetic force on dendrites in molten pool under transverse steady magnetic field (FS—thermoelectric magnetic force, Fχ—Lorentz force, Bx—magnetic field intensity in the X direction, I— current intensity, Vy—melting flow speed, JTE—thermoelectric current intensity, TE—abbreviation of thermoelectric)(a) main view(b) side view(c) CET transition map(d) magnetic field suppression melt flow dia- gram

另一方面,外加磁場會使合金熔體的流動受到影響,從而改變?nèi)垠w的溶質(zhì)分布和溫度分布,進而控制凝固合金的顯微組織。磁場對熔體流動會產(chǎn)生2種相互競爭的作用,磁阻尼作用和熱電磁對流作用。Lehmann等[18]和Khine等[31]研究發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)Hartmann常數(shù)(Ha)來判斷是哪一種作用起主導(dǎo)作用：當(dāng)Ha<10時,熱電磁對流占主導(dǎo)作用,反之則磁阻尼占主導(dǎo)作用。Ha計算公式為[26]:

$\mathit{Ha}=\mathit{BL}\sqrt[]{\frac{?}{?}}$(2)

式中,磁場強度B=0.35 T,磁場下試樣的特征尺寸L=2×10-3 m,金屬熔體的電導(dǎo)率σ =3.65×106 A/(Vm),熔體黏滯系數(shù)μ =1.146×10-3 Ns/m2[32]。計算可知,當(dāng)施加0.35 T靜磁場時,激光熔化增材制造Al-12%Si熔池中的Ha約為39.51,大于臨界值10,因此可以認(rèn)為在這一過程中磁場對熔體起到了磁阻尼作用。如圖7d所示,磁場抑制熔體對流的作用機理在于：假設(shè)磁場強度方向為沿X軸的正向B,液態(tài)金屬以Vy的速率沿著Y軸正向流動,根據(jù)右手定則可知感應(yīng)電動勢沿Z軸方向,從而可以得到感應(yīng)電流為沿Z軸的負(fù)方向I,根據(jù)左手定則可知感應(yīng)電流和磁場相互作用會產(chǎn)生一個同熔體流動方向Y相反的Lorentz力Fχ,這個力會使熔體的流動減弱,從而起到抑制熔體流動的作用[33]。這個力的大小可以表示為：

${?}_{?}=-?{?}_0{?}_{?}{?}_{?}^2$(3)

式中,μ0為熔體的磁導(dǎo)率,Bx是沿著X方向的磁場強度。從式(3)中可以看出,Lorentz力和磁場強度的平方成正比,磁場強度增加可以有效地抑制熔體的對流。當(dāng)在凝固過程施加0.35 T的靜磁場時,由于靜磁場對熔池在激光熔化和隨后快速凝固過程中的熔體流動具有抑制作用,當(dāng)初生相α-Al由于熱電磁力作用被打斷后,等軸晶生長具有一定的穩(wěn)定性,促進了高次枝晶臂的發(fā)展。

4 結(jié)論

(1) 通過調(diào)節(jié)送粉量、激光功率和激光掃描速率等實驗參數(shù)能夠顯著提高熔覆試樣的致密度。選取最佳參數(shù)條件下的試樣進行研究發(fā)現(xiàn),在施加了磁感應(yīng)強度為0.35 T的橫向靜磁場時,合金宏觀組織無明顯改變,仍由白亮帶(以α-Al相為主)和灰暗區(qū)(以Al-Si共晶相為主)為基本單元疊加構(gòu)成;但是合金微觀組織發(fā)生明顯改變,灰暗區(qū)內(nèi)的α-Al枝晶從柱狀生長向等軸生長轉(zhuǎn)變,且枝晶臂更加發(fā)達(dá)。

(2) 通過分析發(fā)現(xiàn),磁場作用下激光熔覆Al-12%Si合金發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的主要原因是激光熔化沉積的高溫度梯度,在磁場下產(chǎn)生的巨大熱電磁力導(dǎo)致柱狀晶發(fā)生斷裂,從而誘發(fā)CET轉(zhuǎn)變;同時由于磁場對熔體產(chǎn)生磁阻尼作用,抑制了熔體的流動,促進了等軸晶的高次枝晶臂發(fā)展。

來源--金屬學(xué)報