激光重熔熔池凝固组织的实时观察研究

发布时间：2019-10-22 13:17

【摘要】：采用透明模型合金丁二腈-2.0%(质量分数)乙醇(SCN-2.0%Eth),实时观察了在单晶基材(001)晶面上进行激光重熔时,扫描方向偏离基材[100]晶向不同角度时熔池内枝晶生长的演化过程.研究发现,当沿平行[100]晶向的方向进行扫描时,熔池最后演变为[010]枝晶列和[01ˉ0]枝晶列平行对称生长;当扫描方向与[100]晶向的夹角为20°时,整个熔池呈现不对称振荡生长模式,即一侧一直呈[01ˉ0]枝晶列生长,另一侧呈[100]枝晶列和[010]枝晶列相互竞争交替生长;当扫描方向与[100]晶向的夹角达45°时,熔池一直呈现为[100]枝晶列和[01ˉ0]枝晶列相互垂直生长.根据枝晶择优生长准则,建立了一个描述熔池内枝晶生长行为的模型,很好地解释了实验结果.结果表明,熔池内凝固组织受熔池形态和基材晶体取向共同影响.
【图文】：

饨蕴?最终[100]枝晶列被完全淘汰,只剩下熔池两侧的[010]和[01ˉ0]枝晶列平行对称生长(图3b).熔池微观组织的整个非稳态竞争淘汰过程大约持续10s.最终形成的稳态泪滴形熔池后尾角约71°.2.3扫描方向与[100]晶向偏转20°图4是P=2.0W,v=0.8mm/s,沿与单晶基材[100]晶向偏转约20°的方向进行激光重熔时SCN-2.0%Eth合金熔池内枝晶的演化过程.可以看出,在最初的椭圆形熔池尾部,同样存在[100],[010]和[01ˉ0]枝晶列(图4a),但呈不对称分布.在后续的演化中,熔池下侧的枝晶一直呈现[01ˉ0]枝晶列,而上侧图1激光重熔实时观察装置示意图Fig.1Schematicofrealtimeobservationapparatusofla-serremeltingprocess(x,y—coordinatesofthemo-tionplatform,v—scanningvelocity)图2激光重熔熔池宏观形态演化过程Fig.2Macroscopicmorphologyevolutionoflaserremeltingpoolwithlaserscanningtimet=1s(a),3s(b)and51s(c)494

庵厝凼匝猥兄泻穸?约100mm的SCN-2.0%Eth合金试样.实验前,采用引晶法在试样盒中外延生长形成一个SCN-2.0%Eth合金单晶,其晶粒的(001)晶面与试样盒平面平行且〈100〉晶向与试样盒长边方向一致.随后,将选好晶的试样盒在40℃下保温12h,以使合金均匀化.实验采用的激光功率P=2.0W,扫描速度v=0.8mm/s.通过水平旋转试样盒,改变激光扫描方向与单晶试样的[100]晶向之间的夹角.选取偏离[100]晶向0°,20°和45°的3个方向进行激光重熔,对比考察单晶基材取向对熔池内枝晶生长演化行为的影响.2实验结果2.1熔池非稳态演化过程图2显示了P=2.0W,v=0.8mm/s时,沿SCN-2.0%Eth合金单晶[100]晶向进行激光重熔时熔池的宏观形态非稳态演化过程,图中时间t是以激光开始扫描为起点.可以看出,随着激光扫描的进行,熔池形态从圆形转变为椭圆形,最后演化成稳态的泪滴形.以熔池侧面最宽处为分界线,熔池朝向扫描方向的前沿界面为熔化界面,后沿尾部界面为凝固界面.从最宽处到熔池尾部,凝固界面的温度梯度逐渐降低,法向移动速度由零逐渐增高,界面形态将会经历从平界面到胞晶到树枝晶的演化过程.凝固界面的演化代表着熔池微观组织的形成历程,因此,后文将重点针对熔池尾部凝固界面的演化行为进行重点考察.2.2扫描方向平行[100]晶向图3是P=2.0W,v=0.8mm/s,沿单晶基材[100]晶向进行激光重熔时SCN-2.0%Eth合金熔池内枝晶的演化过程.从图中可以看出,在刚开始受辐照时,椭圆形熔池尾部存在沿[100],[010]和[01ˉ0]3个晶体学取向生长的枝晶列(图3a).为了简化,将此3种沿不同晶体学取向进行生长的枝晶列分别命名为[100]枝晶列、[010]枝晶列和[01ˉ0]枝晶列.随后,伴随着熔池形状向稳态泪滴形演变,具有不同一次臂生长方向的枝晶列之间不断竞争淘汰,最?
【作者单位】： 西北工业大学凝固技术国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目51271213和51323008 国家重点基础研究发展计划项目2011CB610402 中国博士后科学基金项目2013M542384 高等学校博士学科点专项科研基金项目20116102110016资助~~
【分类号】：TG111.4

【参考文献】

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本文编号：2551662