《Additive Manufacturing》：Laser Stirring with Elliptical Scanning Enables On-Demand Alloying in Additive Manufacturing
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激光搅拌椭圆扫描策略有效改善金属增材制造中元素混合，通过高速X射线衍射和扫描电镜证实能形成均匀单相BCC高熵合金。
何勇 | 乔丹·韦弗 | 安德烈·庞索 | 朱奈德·达尔 | 张一松 | 林东 | 黄安德鲁 | 高迈克尔·C. | 张帆
美国国家标准与技术研究院工程实验室智能系统部门，马里兰州盖瑟斯堡市20899
摘要
在金属增材制造（AM）中，实现不同元素的均匀混合至关重要，尤其是在原位合金化和高熵合金（HEAs）方面，因为成分的均匀性直接影响相的形成、机械性能和长期性能。然而，由于熔池对流有限（即被动马兰戈尼流动），混合过程面临挑战。在这项工作中，我们提出了一种通过椭圆形扫描策略进行激光搅拌的方法，以主动调节熔池动力学并增强元素混合。我们使用具有显著熔点、密度、粘度、溶解度和扩散率差异的Ti-6Al-4V和难熔HEA夹层样品验证了这种方法。我们进行了原位高速衍射测量，以揭示激光搅拌过程中的相变，并使用构建后的扫描电子显微镜测量进行了详细的化学和微观结构分析。我们的结果令人信服地表明，激光搅拌可以改善元素混合，从而形成单相体心立方HEA。这项研究为可靠的原位合金化开辟了一条新的、可扩展且可调的途径，为直接从不同原料生产新型合金和成分梯度材料提供了可能性。
引言
元素混合是金属合金化的基础，因为它直接影响相变和微观结构，而这些因素又决定了材料的机械强度、疲劳寿命和耐腐蚀性[1]。混合不良会导致严重的微观偏析，从而使得合金的成分偏离目标规格[2]。对于原位合金化而言，高质量的混合尤为重要，这是一种新兴的增材制造（AM）策略，它能够在构建过程中直接熔化和组合元素原料，显著扩展了合金发现和性能优化的潜力[3]。
在AM中最广泛采用的元素混合方法是预先合金化原料[4]，即先通过传统合金化工艺将组成元素均匀混合。然而，这种方法本质上限制了可探索的成分范围，因为每种特定的合金配方都必须预先制备。相比之下，原位合金化[5]通过在构建过程中同时熔化多种元素原料，显著扩展了成分设计空间。在传统的AM过程中，熔池内的元素混合是通过热扩散和对流（如马兰戈尼流动）来实现的[6][7]。然而，这种由表面张力梯度驱动的热毛细对流是被动的，通常较弱且单向的。它还对工艺参数非常敏感；即使激光功率或扫描速度的微小变化也可能抑制流动，进一步复杂化混合过程。当处理不同材料时，这些挑战更加突出，特别是轻质和难熔元素，因为它们之间的密度差异大以及难熔元素的扩散缓慢，阻碍了有效混合[8]。
这些挑战凸显了需要改进策略以确保稳健和均匀的混合，尤其是对于高熵合金（HEAs）而言，它们依赖于原子级别的均匀性来实现其特性，包括卓越的机械强度、热稳定性和耐腐蚀性[9]。虽然AM的快速冷却速率提供了将HEAs从无序熔体固化成亚稳态固溶体的机会，从而保持成分均匀性并形成单相或近单相微观结构，但这些好处只有在克服被动熔池对流的限制后才能实现，因为混合不良会导致不希望的相分离。
为了解决这个问题，我们提出了一种新的解决方案：通过椭圆形扫描进行激光搅拌，该方案由国家标准与技术研究院（NIST）开发的一种点控制方法实现。这种方法允许以10微秒的间隔实时调整激光功率、速度和位置，提供了实施椭圆形扫描策略所需的动态控制，从而主动诱导熔池中的对流。我们使用Ti-6Al-4V、难熔HEA和Ti-6Al-4V夹层结构这一具有显著扩散距离（2.4毫米）以及较大密度、扩散率和熔点差异的复杂配置来验证这种方法。通过高速X射线衍射测量，我们捕捉到了固化引起的相变，并明确证明了单相原子结构的形成。构建后的显微测量进一步证实了激光搅拌的有效性。虽然还需要进一步优化以将这种方法扩展到更广泛的材料系统，但我们的工作为通过主动控制的熔池对流实现原位合金化奠定了基础，为可扩展的HEA开发和先进的AM合金设计打开了新的机会。
部分摘录
椭圆形扫描策略和激光搅拌
在AM领域，通过动态扫描路径调制来控制熔池是一个潜力巨大但尚未充分探索的领域。然而，在商用AM机器上实现动态路径调制具有挑战性，因为这些机器的控制系统继承了传统机床的线控制方式，其中扫描线通常由G代码或常见的层接口脚本描述，每条扫描线只允许一个恒定的功率和速度值。这严重限制了...
结果
我们主要报告了两组来自原位高速X射线衍射和构建后SEM测量的结果。高速X射线衍射数据为我们提供了关于材料在加工过程中动态演变的独特视角。凭借大约30微米×30微米×2.4毫米的采样体积，这些测量使我们能够实时探测整体结构演变。相比之下，更注重表面的SEM测量提供了直接的...
讨论
AM和HEAs提供了一种独特的组合，能够在单一过程中实现零件制造和材料创造。这为按需合金设计带来了令人兴奋的机会，因为在构建过程中稍微改变元素成分就可以产生截然不同的材料性能。原则上，AM可以通过选择性分配不同比例的元素粉末来实现性能的实时调整和功能梯度组件的创建。
然而，这种潜力...
结论
这项研究表明，通过椭圆形扫描策略实现的激光搅拌为金属增材制造中的一个关键限制提供了有效的解决方案：实现原位合金化的稳健元素混合。使用Ti-6Al-4V/难熔HEA夹层配置，我们通过高速同步辐射X射线衍射观察到了一种新的单相BCC高熵合金的形成，这种合金与起始材料都不同。这一转变通过SEM-EDS分析得到了确认...
CRediT作者贡献声明
黄安德鲁：验证、资源、调查。
林东：资源、项目管理、概念化。
高迈克尔·C.：撰写——初稿、验证、资源。
何勇：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件、资源、项目管理、方法论、调查、概念化。
张帆：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
张一松：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究使用了先进光子源的资源，该光源是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，由阿贡国家实验室根据合同号DE-AC02-06CH11357为DOE科学办公室运营。
RHEA-19的开发得到了美国能源部ARPA-E ULTIMATE计划的支持，奖项编号为DE-AR0002337。
