上海交大材料学院凝固科学与技术研究所在磁场辅助金属增材制造领域取得系列进展

| 3DScienceValley · 2023/06/02

激光增材制造可以为定制的、形状复杂的产品制备开辟新途径，并有潜力重新定义制造业。但仍存在着合金牌号选择有限、材料性能各向异性明显、组织缺陷难控制、生产效率低和粗糙度高等诸多问题。这些问题引起了研究人员的广泛关注和研究。磁场作为一种非接触物理能量场，可对金属材料制备过程的物理变化和化学反应过程产生影响，因而被用来控制其中的变化或反应过程。上海交通大学材料科学与工程学院凝固科学与技术研究所董安平研究员、杜大帆助理教授在该领域取得系列进展。近日，该团队联合多个国内外研究机构在机械类顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture（中科院工程类1区，即时影响因子12.858）发表“Review on field assisted metal additive manufacturing”长篇综述。全文共3.5万字，是目前论述该研究领域最全面的综述，涵盖了磁场、声场、温度场、机械场、电场和耦合场对金属增材制造过程的影响，并对外场辅助金属增材制造提出指导性建议。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104032

在此之前，该团队探索了静磁场下的AlSi10Mg合金的选区激光熔化过程凝固组织演化机理与力学性能变化，发现施加0.12 T静磁场可导致熔池内枝晶间距的减小，细化晶粒，减少孔隙并提高AlSi10Mg合金力学性能。上述结果以Influence of static magnetic field on microstructure and mechanical behavior of selective laser melted AlSi10Mg alloy为题发表于Materials and Design（中科院材料1区，影响因子9.417）论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107923。进一步地，团队通过数值模拟和实验相结合的方法探索了静磁场下选区激光熔化过程较大能量密度范围内微熔池形貌和流场的演化机制。研究结果表明，在一定范围内，静磁场作为外加物理场可以影响选区激光熔化过程的微熔池凝固，磁场的多尺度热电磁效应有助于提高激光吸收率，提高打印件的致密度；枝晶尺度的热电磁效应导致细化晶粒，并最终提高材料的力学性能。相关研究成果以“Promoting the densification and grain refinement with assistance of static magnetic field in laser powder bed fusion”为题被中科院一区期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture接收。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2022.103965

除静磁场辅助选区激光熔化过程新机理的发现，该团队还利用静磁场辅助激光定向能量沉积（Laser Direct Energy Deposition, LDED）制备镍基高温合金，并揭示了静磁场对该过程熔池流动和组织演化的影响规律，相关研究成果以Influence of static magnetic field on the microstructure of Nickel-based superalloy by Laser-directed energy deposition为题发表于金属冶金领域传统期刊Metallurgical and Materials Transactions A。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s11661-020-05783-4

在材料学院凝固科学与技术研究所学术带头人孙宝德教授的带领和支持下，团队围绕增材制造微熔池凝固基本科学问题，开展增材制造前沿探索。相关研究成果，一方面可以从熔池快速熔凝角度更深入理解增材制造过程，为增材制造组织调控和缺陷控制提供理论支撑；另一方面，通过对增材制造设备磁场辅助的设计和改装，为提高金属增材制造构件的综合力学性能提供新思路。

上述相关研究得到了国家自然科学基金委（No. 52071205）、上海交通大学“深蓝计划”基金、中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司和中国航天科工集团第三研究院三十一研究所等项目和单位的支持。

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