靜磁場輔助金屬增材制造技術(shù)研究進展

杜大帆，董安平，祝國梁，雷力明，孫寶德

(1. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海市先進高溫材料及其精密成形重點實驗室，上海200240)

(2. 中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

1 前 言

有別于傳統(tǒng)金屬材料加工過程的減材制造，金屬增材制造具有設(shè)計自由、材料利用率高和交貨時間短等優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，增材制造可以為定制的、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品制備開辟新途徑，并有潛力重新定義制造業(yè)。盡管金屬增材制造有諸多優(yōu)勢，但仍存在著合金牌號選擇有限、材料性能各向異性明顯、組織缺陷難控制、生產(chǎn)效率低和粗糙度高等諸多問題。這些問題引起了研究人員的廣泛關(guān)注和研究。磁場作為一種非接觸物理能量場，可對金屬材料制備過程的物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生影響，因而被用來控制其中的變化或反應(yīng)過程。將磁場引入金屬增材制造過程，研究磁場對微熔池內(nèi)冶金過程的影響，一方面，可以利用磁場的磁-電-熱-力耦合效應(yīng)改善增材制造構(gòu)件微觀組織，提高材料成形質(zhì)量；另一方面，有助于揭示和了解增材制造的微觀成形機理，為改善增材制造構(gòu)件的組織性能提供幫助。本文主要回顧近年來圍繞靜磁場輔助下金屬增材制造過程的研究工作，相關(guān)研究一方面可以從金屬熔化和快速凝固角度幫助科研人員更深入理解增材制造過程，為增材制造組織調(diào)控和缺陷控制提供理論支撐；另一方面，通過對外加磁場裝備的設(shè)計和改裝，可以進一步提高金屬增材制造構(gòu)件的綜合性能，也為開發(fā)新型的增材制造裝置提供新思路。

2 靜磁場對金屬凝固的基本影響

金屬增材制造過程涉及兩個主要相變過程，即金屬粉末的熔化和液態(tài)熔池的凝固。其中熔池的凝固過程直接影響增材制造構(gòu)件的微觀組織和力學(xué)性能，對于增材制造過程至關(guān)重要。有關(guān)磁場對于金屬凝固過程影響的研究起源于20世紀(jì)初，Garnier等[1]嘗試?yán)么艌鰧σ簯B(tài)金屬進行攪拌以改善冶金組織，并由此提出磁場處理方式。到了20世紀(jì)40年代，形成了磁流體力學(xué)學(xué)科，這是建立在電磁場理論、流體力學(xué)和冶金學(xué)基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科[2]。自2000年以來，由于超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，10 T及以上的強磁場可以更容易獲得，強磁場對金屬凝固過程影響的研究迅速發(fā)展，不僅發(fā)現(xiàn)了凝固過程有價值的現(xiàn)象和規(guī)律，豐富和發(fā)展了金屬凝固理論；更為調(diào)控材料組織和改善性能，以及為制備常規(guī)方法難以加工的材料提供了新方法[3]。

靜磁場對于金屬凝固的效應(yīng)可以大致分為以下幾個方面：磁化能效應(yīng)、磁化力效應(yīng)、磁極間相互作用、熱電磁效應(yīng)、磁阻尼效應(yīng)等。

2.1 磁化能效應(yīng)

磁化能是由于物質(zhì)在磁場中被磁化導(dǎo)致，物質(zhì)的不同狀態(tài)具有磁性差異，因此磁場下物質(zhì)在不同狀態(tài)下自由能存在差異，進而導(dǎo)致穩(wěn)定性的變化。對于金屬凝固過程，初生相和液相之間存在一定的磁性差異，磁場必然會引起不同相自由能發(fā)生變化，進而改變體系的反應(yīng)和相平衡。磁化能大小不僅取決于不同物質(zhì)的磁性差異，也與磁場強度直接相關(guān)，因此，研究人員引入強磁場來考察磁場對相變過程的影響。將具有磁化率各向異性的晶體置于磁場中，磁化作用會導(dǎo)致晶體的不同晶向間產(chǎn)生磁化能差值，即磁各向異性能。Li等[4-6]研究了強磁場下Al-Ni合金凝固過程中初生相Al3Ni的取向行為，研究結(jié)果表明，施加磁場后凝固組織中Al3Ni相發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，其<001>晶向轉(zhuǎn)向磁場方向。初生相的取向程度也隨磁場強度和溫度提高進一步提高。

具有磁各向異性的晶體在磁場中受到不同磁化能的作用，旋轉(zhuǎn)至能量最低的位置，并最終形成穩(wěn)定的取向。晶體在磁場中沿不同晶軸磁化的能量差值ΔE通過式(1)計算：

(1)

其中μ0為真空磁導(dǎo)率，Δχ為易磁化軸和難磁化軸的磁化率之差，Hex為磁場強度，V為晶體體積。磁各向異性會導(dǎo)致晶體在磁場中受到磁力矩的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)的能量最低。研究者們利用晶體的這個性能來制備有取向的功能材料。對于磁化率小于零的抗磁性材料，晶體磁化率最大的方向旋轉(zhuǎn)至垂直于磁場方向；對于磁化率大于零的鐵磁性和順磁性材料，晶體磁化率最大的方向?qū)⑿D(zhuǎn)至磁場方向。

自1981年Mikelson和Karklin[7]研究了不同體系合金的凝固過程以來，他們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了析出相排列與磁場方向具有一定關(guān)系的凝固現(xiàn)象。他們的研究表明，凝固時析出相晶體的磁晶各向異性導(dǎo)致了晶體發(fā)生取向，并提出了晶體在穩(wěn)恒磁場中受到磁力矩作用受力、旋轉(zhuǎn)和取向的理論。

但是他們并沒有對磁晶各向異性和形貌各向異性進行嚴(yán)格區(qū)分，析出相晶體不僅受到磁晶各向異性的作用時發(fā)生旋轉(zhuǎn)和取向，也會受到形貌各向異性的影響。因此當(dāng)晶體的磁晶各向異性取向與形貌各向異性取向不同時，凝固后的初生相晶體取向可能是隨機無序的。隨后的研究者們則通過大量的實驗探究了磁晶各向異性和形貌各向異性的區(qū)別，并先后在二元Sm-Co、Bi-Mn、Bi-Zn、Al-Fe和Al-Ni系合金[8-10]中獲得初生相晶體在磁場下取向的凝固組織，以及高溫超導(dǎo)材料中取向性的組織結(jié)構(gòu)[11]。根據(jù)實驗結(jié)果，研究者們進行了深入的理論分析，并總結(jié)出磁場中初生相晶體取向分布只能發(fā)生在晶體生長的初始階段，且必須滿足：晶體具有磁化率各向異性、磁各向異性能大于熱擾動能和有可供晶體自由轉(zhuǎn)動的介質(zhì)這3個基本條件。進一步的研究結(jié)果表明，晶體和坩堝壁之間的機械作用、液相的粘性和液體中的流動等因素直接影響晶體的旋轉(zhuǎn)和取向。

2.2 磁化力效應(yīng)

磁化力即電磁作用力，是人類迄今發(fā)現(xiàn)的4種作用力之一，最簡單例子是磁鐵對鐵器的吸引。電磁作用力的本質(zhì)是物體之間的電荷作用，通過帶電粒子與電磁場相互作用產(chǎn)生的力場。磁化過程包含了將物質(zhì)磁化和被磁化后物質(zhì)與磁鐵的磁場梯度相互作用而產(chǎn)生磁化力這兩個步驟。人們將這一原理運用到鐵磁材料處理的工業(yè)過程，如電磁選礦等[12]。即使非磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率較弱，但由于磁化力的大小與磁場強度的平方成正比，因此高強度磁場也會對材料產(chǎn)生顯著的磁化力效應(yīng)。

Wang等[13，14]研究了縱向梯度強磁場對Mn-Sb合金的半固態(tài)等溫和熔融態(tài)淬火過程的影響(如圖1所示)，發(fā)現(xiàn)所制備合金的MnSb枝晶梯度分布于組織內(nèi)，這是由于Mn團簇受到磁化力驅(qū)動進而引起Mn溶質(zhì)富集，并在隨后的淬火過程中快速凝固導(dǎo)致。在對強磁場下Al-Cu合金定向凝固研究中，Li等[15]發(fā)現(xiàn)磁場可以將固/液界面前沿的溶質(zhì)元素磁化，導(dǎo)致溶質(zhì)元素在界面前沿富集，進而誘發(fā)了更大的成分過冷和界面失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1 Mn-89.7Sb合金在不同磁場梯度下(B=11.5 T)保溫30 min后的微觀組織及相應(yīng)的初生MnSb顆粒在試樣中自下而上的分布[13]：(a) BdB/dz=282 T2/m，(b) BdB/dz=-282 T2/m；(c) MnSb顆粒受磁化力和重力以及合金受拉和受壓的示意圖Fig.1 Microstructures and the corresponding distributions of the MnSb particles along the depth from the lower surface in Mn-89.7wt% Sb alloys solidified under magnetic field gradient of BdB/dz=282 T2/m (a) and BdB/dz=-282 T2/m (b) with a holding time of 30 min；schematic illustrations of the magnetic force and gravity acting on the Mn-Sb particles，which stretches or compresses the alloy (c)[13]

2.3 磁極間相互作用

很早以前，人們就在磁性材料中發(fā)現(xiàn)了磁偶極現(xiàn)象，比如，一根小磁針就可以視為一個磁偶極子。隨著超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，通過較強磁場可以使磁極間的相互作用在非磁性物質(zhì)中體現(xiàn)。為了探究非磁性物質(zhì)間的磁偶極作用，并試圖將相關(guān)效應(yīng)運用到材料的制備過程中，材料研究者們開展了大量的理論和實驗探索。Shimotomai等[16]研究了強磁場對Fe-0.1C和Fe-0.6C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)鋼的奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的影響，認為順磁性的奧氏體晶粒間產(chǎn)生了相互吸引的磁偶極作用，促使鐵素體基體中的鏈狀或柱狀奧氏體相沿磁場方向排列。此外，王強等[17]在研究強磁場下的過共晶成分BiMn合金凝固過程時發(fā)現(xiàn)了初生相沿磁場方向排列的凝固組織，他們認為初生MnBi相在生長過程中通過磁偶極作用而在磁場方向相互吸引，并在垂直磁場方向相互排斥是導(dǎo)致這種組織形成的主要原因。Zheng等[18]研究了30 T超高強磁場下Bi-4.5Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金的凝固過程，發(fā)現(xiàn)在較低的冷卻速度(R=5 K/min)下，凝固組織中初生MnBi相聚集成層片狀，且層片法向與磁場方向平行；相反地，在較高的冷卻速度(R=60 K/min)下，則獲得與磁場方向平行的鏈狀組織。這是由于磁極間相互作用和磁力矩作用相互協(xié)調(diào)所導(dǎo)致。

2.4 熱電磁效應(yīng)

熱電磁效應(yīng)是金屬凝固過程中固液界面處存在的熱電效應(yīng)受到磁場作用形成的，當(dāng)固液界面法線方向與溫度梯度不完全平行時，在液固界面處產(chǎn)生熱電流[19]，凝固過程中熱電流在磁場下將受到洛倫茲力作用，稱為熱電磁力。固液界面處的熱電磁力一方面施加在液相，導(dǎo)致熔體流動(稱為熱電磁流動)，熱電磁流動可以顯著影響凝固過程的微觀和宏觀偏析、凝固組織和晶界形貌等微觀組織；另一方面導(dǎo)致固相受力，進而導(dǎo)致平界面生長的界面失穩(wěn)[20]，胞狀向樹枝晶轉(zhuǎn)變[21]，以及枝晶斷裂并誘導(dǎo)等軸晶組織[22]。近年來，得益于同步輻射X射線衍射技術(shù)的發(fā)展，研究者原位實時觀測了定向凝固過程熱電磁效應(yīng)對枝晶生長的影響，游離的枝晶在熱電磁力的作用下向試樣一側(cè)定向運動，形成梯度組織[23]。

2.5 磁阻尼效應(yīng)

熔體中的磁阻尼效應(yīng)起源于金屬熔體流動切割磁感線感生出電流，磁場與感生電流交互作用產(chǎn)生與流動方向相反的力的作用，進而抑制熔體流動。Chandrasekhar[24]和Utech等[25]在20世紀(jì)中期已開始系統(tǒng)化理論分析了強磁場下流體的熱對流抑制機理。隨后，研究者們采用數(shù)值模擬和實驗的方法對磁場下的熔體磁阻尼效應(yīng)開展了一系列研究，并進一步研究了通過磁阻尼效應(yīng)所引起的凝固過程中傳熱、傳質(zhì)等的變化改善凝固組織。磁場下抑制熔體對流的磁阻尼效應(yīng)主要控制參數(shù)是磁場強度，但是Oreper和Szekely[26]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)其抑制效果與體系的幾何形狀和尺度也密切相關(guān)。此外，研究者們還考察了立方容器內(nèi)壁溫度梯度和磁場分布方式對抑制對流的影響，研究結(jié)果表明，抑制效果在磁場與加熱壁面垂直時效果最明顯，兩者方向平行時最弱[27-29]。不同凝固方式下磁阻尼效應(yīng)的研究表明，強磁場不僅抑制熔體對流，還會降低熔體熱導(dǎo)率并最終引起熔體降溫速率變緩；但在定向凝固過程，磁場對于熔體流動抑制的同時，卻不影響熔體的熱導(dǎo)率。另外，對于Czochralski法生長過程[30-32]，磁場可以有效抑制熔體在凝固過程受到的浮力對流和溫度波動，并有助于消除溶質(zhì)富集，提高溶質(zhì)的均勻分布。

3 磁場輔助對金屬增材制造過程的影響

外加物理場(磁場、超聲場、電場等)可以有效地改變金屬凝固過程中的形核、生長和粗化等行為，是調(diào)控金屬凝固微觀組織行之有效的方法。近年來研究者們開展了大量基于外加物理場對金屬增材制造過程進行調(diào)控的研究[33，34]。一方面這些研究有助于人們利用外加物理場改變增材制造過程微熔池凝固過程，進而對微觀組織進行控制及獲得理想的組織；另一方面，通過外加物理場的特殊作用有助于人們對增材制造過程的理解和掌握。靜磁場作為一種無接觸的物理能場，可以影響增材制造微熔池凝固過程，并有效改善微觀組織，提高材料綜合性能，為開發(fā)新型增材制造工藝提供新思路。

3.1 激光定向能量沉積

激光定向能量沉積(laser directed energy deposition，LDED)技術(shù)作為一種同軸送粉式金屬增材制造技術(shù)，以其制造效率高、成形尺寸大等優(yōu)勢在航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。帥三三等[35]研究了送粉式激光3D打印Al-12%Si合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時外加橫向靜磁場對組織的影響。結(jié)果表明，施加磁場對激光熔化單道薄壁試樣的宏觀凝固組織無明顯影響，宏觀組織以白亮帶(α-Al相為主)和灰暗區(qū)(Al-Si共晶相為主)為基本單元疊加構(gòu)成；微觀組織分析表明，無磁場時灰暗區(qū)內(nèi)的初生α-Al 相呈柱狀枝晶形態(tài)，施加了0.35 T橫向穩(wěn)恒磁場后，這些初生α-Al相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S枝晶形態(tài)，且枝晶臂發(fā)達。分析表明，0.35 T靜磁場下，作用于初生α-Al枝晶上的熱電磁力可達105N/m3量級；哈特曼數(shù)(Hartman number，Ha)遠大于10，這表明激光熔化微小金屬熔池中強烈的馬蘭戈尼(Marangoni)對流以及熱溶質(zhì)對流一定程度上被抑制。分析認為，穩(wěn)恒磁場下凝固組織的灰暗區(qū)內(nèi)α-Al相柱狀枝晶向等軸枝晶的轉(zhuǎn)變是固相中熱電磁力(約105N/m3)對枝晶的破碎作用導(dǎo)致，而等軸枝晶發(fā)達的枝晶臂則是橫向穩(wěn)恒磁場抑制熔體流動的結(jié)果。隨后，Liu等[36]和Nie等[37]分別研究了高溫合金激光加工過程中磁場對熔池微觀組織和殘余應(yīng)力的影響，研究結(jié)果表明，橫向靜磁場可以引起高溫合金組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，且可以削弱由于熱效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力。Wang等[38]也報道了外加穩(wěn)恒磁場對316不銹鋼同軸送粉成形構(gòu)件組織和元素偏析的影響，研究結(jié)果顯示，隨著磁場強度增加，枝晶間微觀偏析的組織從連續(xù)形態(tài)轉(zhuǎn)變到非連續(xù)形態(tài)；此外，隨著水平磁場強度的增加，奧氏體和鐵素體中鎳和鉻元素含量發(fā)生顯著變化。

Du等[39]研究了靜態(tài)磁場對LDED打印Inconel 718合金顯微組織和晶體織構(gòu)的影響，研究者通過將兩個NbFeB永磁體與LDED打印設(shè)備組裝在一起，提供水平方向的穩(wěn)恒磁場。通過調(diào)節(jié)磁體之間的距離將磁場強度設(shè)置為0.05和0.1 T(如圖2a)。實驗結(jié)果表明，在相同打印參數(shù)下，磁場強度越大，枝晶間距越大(如圖2b)。此外，在相同的激光功率下，磁場的存在可以誘導(dǎo)柱狀晶的外延生長(圖2c和2d)，并產(chǎn)生較高比例的小角度晶界(≤15°)。在凝固過程中熔體對流的變化是導(dǎo)致顯微組織和晶體織構(gòu)變化的主要原因。一般來說，磁場可以從兩個方面影響熔體對流，包括熱電磁對流和磁阻尼效應(yīng)。在沒有磁場的情況下，由于微熔池表面存在極高的溫度梯度，會形成相對強的熔體對流(即Marangoni對流)，繼而導(dǎo)致熔池底部生長的一些枝晶臂斷裂并卷入到熔體中。在熔池內(nèi)，斷裂的枝晶臂形成新的形核點，進而引發(fā)隨機取向晶粒的形成。在引入磁場的情況下，由于磁阻尼效應(yīng)，Marangoni對流被顯著地抑制。他們在考慮磁阻尼效應(yīng)的存在下，評估了微熔池內(nèi)流速與磁場強度的關(guān)系；對微觀組織的研究發(fā)現(xiàn)，合金中<110>方向織構(gòu)與打印方向平行，且隨著磁場強度的增大織構(gòu)強度增大；組織中小角晶界的含量隨著磁場強度的增大也逐漸增大。

圖2 穩(wěn)恒磁場對激光定向能量沉積(laser directed energy deposition，LDED)打印Inconel 718合金顯微組織的影響[39]：(a)制備裝置示意圖，(b)枝晶間距隨磁場強度變化規(guī)律；分別在激光功率250(c)和400 W(d)和不同磁場強度下形成的凝固組織的電子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)分析結(jié)果Fig.2 Effect of static magnetic fields on the microstructure of LDED fabricated Inconel 718 alloys[39]：(a) schematic representation of the setup for the LDED process，(b) dendrite arm spacing of the samples deposited with various magnetic field intensities at laser power of 250 and 400 W；EBSD results of LDED fabricated Inconel 718 samples with various magnetic field intensities at laser power of 250 (c) and 400 W (d)

Seidel等[40]研究了靜磁場對MAR-A-247高溫合金激光同軸送粉熔覆組織和裂紋的影響，他們對磁場下激光熔覆層微熔池流場進行理論評估，并通過自行研制的隨行磁場激發(fā)裝置(如圖3a)測量了在勵磁電流為60 A時不同位置處的磁場強度，裝置激發(fā)的磁場強度可達到200 mT。對比施加磁場前后熔覆層金相照片(圖3b和圖3c)可以發(fā)現(xiàn)，施加磁場后熔覆層的熱裂紋明顯減少，研究者認為磁場抑制了Marangoni對流，因此減少了熔覆層的裂紋形成。但是他們并沒有對Marangoni對流受抑制的程度及熔覆層中裂紋形成的影響機理進行更深入的研究。Filimonov等[41]通過理論計算及與實驗結(jié)合的方法研究了不同外加磁場施加方式對LDED過程Inconel 718合金組織和性能的影響，理論計算得出在系統(tǒng)較小的Ha下，磁場對熔池Marangoni對流的抑制效果很有限，但仍然可將組織內(nèi)孔隙率從0.3%降至0.2%(如圖4b)，并將打印件的極限延伸率提高了4%。明顯的是，通過EDS分析發(fā)現(xiàn)施加磁場后組織內(nèi)的Nb基析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)從14.1%降低至9.1%(如圖4c)，研究者認為這是由于枝晶尺度的熱電磁流效應(yīng)所致，并認為這是導(dǎo)致材料力學(xué)性能發(fā)生變化的主要原因。Ge等[42]的研究也表明磁場可以抑制激光熔覆過程熔池內(nèi)的流場，并導(dǎo)致合金中的元素在熔覆層中分布不均勻。

圖3 激光誘導(dǎo)Marangoni流動中磁流體動力學(xué)改變對于熱裂紋的抑制[40]：(a) 激光增材制造配置的磁場激發(fā)裝置，同一基材上無磁場(b)和有磁場(c)下的激光熔覆Mar-M-247合金單熔道橫截面的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Novel approach for suppressing hot cracking via magneto-fluid dynamic modification of the laser-induced Marangoni convection[40]：(a) electrical magnet setup assembled in laser additive manufacturing equipment，optical microscopy images of Mar-M-247 alloy single weld on the same substrate laser cladded without (b) and with (c) magnetic field

圖4 施加外磁場對激光定向能量沉積(laser directed energy deposition，LDED)Inconel 718合金組織和性能的影響[41]：(a) 不同的磁場施加方式示意圖，(b) 金相照片顯示組織孔隙率的變化，(c) 無磁場和(d)有垂直磁場的EDS元素面掃描結(jié)果Fig.4 Influence of static magnetic field on the microstructure and mechanical property of Inconel 718 alloys fabricated by LDED method[41]：(a) schematic illustration of the magnetic field setup，(b) metallographs showing porosity distributions，EDS element mappings for samples fabricated without (c) and with (d) vertical magnetic field

Kao等[43]通過基于格子玻爾茲曼方法的數(shù)值模擬方法，研究了不同靜磁場施加方式下Al10Si合金增材制造過程微熔池內(nèi)熱電磁流體動力學(xué)(thermo-electric magneto-hydrodynamic，TEMHD)效應(yīng)和Marangoni效應(yīng)主導(dǎo)的耦合流場及對組織的影響，并通過相關(guān)實驗進行佐證。模擬結(jié)果表明，在豎直方向的0.5 T靜磁場作用下，微熔池的流場將由無磁場時對稱的Marangoni對流(如圖5b)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的對流(如圖5c)，進而導(dǎo)致熔池尺度的成分偏析。

圖5 基于格子玻爾茲曼方法的靜磁場下增材制造過程熔池流體動力學(xué)和組織模擬[43]：(a) 模型建立，(b) 無磁場時熔池內(nèi)流場和組織模擬結(jié)果，(c) 豎直方向施加0.5 T靜磁場時熔池內(nèi)流場和組織模擬結(jié)果Fig.5 Simulation of the hydrodynamics of melt pool and microstructure for laser powder bed fusion under static magnetic field based on the lattice Boltzmann method[43]：(a) schematic of the numerical model，(b) simulation results of flow field in melt pool and microstructure without magnetic field，(c) simulation results of flow field in melt pool and microstructure with a vertical 0.5 T magnetic field

上述研究表明，穩(wěn)恒磁場對LDED增材制造的金屬材料微觀組織有顯著影響。靜磁場誘發(fā)的磁阻尼效應(yīng)抑制熔池內(nèi)的Marangoni對流，并導(dǎo)致了熔池尺度的溶質(zhì)偏析發(fā)生，有助于減少組織內(nèi)的缺陷。但到目前為止，靜磁場對于微熔池凝固的影響機理的研究尚不系統(tǒng)，只有零星的報道；熔池顯微組織變化機理及與力學(xué)性能之間的關(guān)系仍不清楚。搞清磁場下LDED增材制造過程熔池凝固機理及對組織和力學(xué)性能的影響機制具有重要意義。

3.2 粉末床熔融增材制造

盡管粉末床熔融增材制造技術(shù)被證明能有效地加工具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如蜂窩結(jié)構(gòu))的多種材料(如金屬、復(fù)合材料和陶瓷等)，但粉末床熔融增材制造中溫度梯度在平行和垂直于構(gòu)建方向時的差異導(dǎo)致了構(gòu)件的組織和機械性能的各向異性。為解決這個問題，Kang等[44]將粉末床熔融工藝與靜態(tài)磁場相結(jié)合，在打印平臺的兩側(cè)放置了兩個永磁鐵，如圖6a所示，這兩個永磁體產(chǎn)生了強度為0.1 T的水平靜態(tài)磁場。為了比較，他們在有/無靜態(tài)磁場下制備了兩組商業(yè)純鈦(CP-Ti)樣品。使用SEM對馬氏體α′-Ti的晶粒尺寸進行觀察，并采用EBSD技術(shù)對Ti的晶粒形態(tài)進行分析(圖6d)，結(jié)果表明，在靜態(tài)磁場的作用下，馬氏體α′-Ti產(chǎn)生了顯著細化，并且組織均勻。晶粒細化和顯微組織均勻化都有助于改善拉伸性能。靜態(tài)磁場下制備的樣品的極限拉伸強度從766增加到794 MPa，斷裂應(yīng)變從28%增大到35%(如圖6b)。圖6c的斷口形貌顯示，有無磁場作用下制備的試樣斷口均為韌性斷裂，但無磁場時斷面存在一些孔洞缺陷。他們認為顯微組織均質(zhì)化可歸因于靜態(tài)磁場引起的攪拌運動。在粉末床熔融制備的熔融、凝固過程中，熔融材料流動會切斷電磁感應(yīng)線并感應(yīng)出電流，電流與靜態(tài)磁場之間的相互作用將增強洛倫茲力。但是，他們并沒有給出增強洛倫茲力可使組織均勻化的原因。

圖6 靜磁場對選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)制備的純Ti的組織和性能的影響[44]：(a) SLM設(shè)備示意圖，(b) 施加磁場前后材料強度和塑性的變化，(c) 拉伸斷口形貌對比，(d) 斷口附近組織形貌對比Fig.6 Effect of static magnetic field on microstructure and mechanical properties of the SLM fabricated pure Ti[44]：(a) schematic of the SLM process，(b) mechanical property of pure Ti without and with applied magnetic field，(c) fracture morphologies of samples fabricated without and with magnetic field and (d) comparison of the microstructures near the fracture

與Kang等不同，Du等[45]是在粉末床熔融制備AlSi10Mg構(gòu)件的打印平臺正下方放置永磁鐵，產(chǎn)生的磁場方向豎直向上，如圖7a所示。因此，磁場強度沿構(gòu)建方向逐漸降低。實驗結(jié)果證明，磁場的引入可以有效地增加打印材料的相對密度，同時減小枝晶間距。為了進一步揭示由磁場引起的微觀結(jié)構(gòu)變化，他們對有/無磁場下粉末床熔融制備的AlSi10Mg構(gòu)件進行EBSD分析。如圖7b所示，在沒有磁場的情況下，晶粒沿Z方向外延生長，并呈圓柱狀。然而，在有磁場的情況下，具有<001>晶體織構(gòu)的柱狀晶粒的數(shù)量顯著減少，等軸晶粒的數(shù)量增加。如圖7c所示，磁場輔助粉末床熔融制造的AlSi10Mg構(gòu)件顯示出比粉末床熔融制造的AlSi10Mg構(gòu)件、粉末床熔融制造的Al-Si構(gòu)件、粉末床熔融制造的7075Al構(gòu)件、碳納米管(CNTs)增強和石墨烯增強的Al基復(fù)合材料(藍色區(qū)域)具有更高的抗拉強度和延展性，接近回火鍛造的2xxx到7xxx鋁合金構(gòu)件。他們分析認為組織內(nèi)缺陷的減少和晶粒的細化是合金的極限抗拉強度和塑性提高的主要原因。這種方法的一個缺點是沿著構(gòu)建方向的磁場強度不均勻，由于這個原因，磁場沿構(gòu)建方向?qū)?gòu)建層的影響將減弱。

圖7 靜磁場對SLM制備的AlSi10Mg合金的組織和性能影響[45]：(a)裝備示意圖，(b) 組織對比；(c) 與其他加工方式制備的鋁合金的力學(xué)性能對比Fig.7 Effect of static magnetic field on microstructure and mechanical properties of the SLM fabricated AlSi10Mg alloys[45]：(a) schematic illustration of setup，(b) microstructure comparison，(c) mechanical properties comparison with aluminum alloys fabricated by other processes

Li等[46]通過商用軟件COMSOL模擬研究了靜磁場作用下粉末床熔融AlSi10Mg合金的微熔池流場變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，外加磁場可在一定程度抑制熔池內(nèi)流動，流速隨磁場強度增大而減小。由于微熔池內(nèi)的流場更加緩和，因此樣品表面會更平整。Yan等[47]則通過將塞貝克效應(yīng)的模型結(jié)合到多物理場熱流體流動模型中，開發(fā)了SLM過程的TEMHD模型，不同磁場強度的TEMHD模擬表明洛倫茲力可以抑制小孔波動。此外，與Li等[46]的模擬結(jié)果相似，Yan等的模擬結(jié)果也表明洛倫茲力可以使熔池中的流場更平滑，并增加凝固組織中等軸晶的比例。Sarah等[48]通過同步輻射實時原位觀察的方法研究了靜磁場對于4140鋼SLM成形過程的影響。實驗結(jié)果表明，隨著磁場強度的增大，熔池深度呈變淺的趨勢(如圖8a)。此外，原位觀察的結(jié)果表明，當(dāng)磁場強度為600 mT時，熔池中的匙孔現(xiàn)象較300 mT時減少很多(如圖8b和8c)。

圖8 同步輻射實時原位觀察靜磁場對4140合金鋼SLM成形過程的影響[48]：(a) 熔池深度隨磁場強度變化規(guī)律，300 (b)和600 mT (c)磁場下的熔池形貌Fig.8 Influence of an external magnetic field on melt pool behavior in SLM manufacturing of 4140 steel observed by using in-situ synchrotron X-ray imaging[48]：(a) variation of melt pool depth with magnetic field intensity，melt pool morphology under magnetic field intensity of 300 (b) and 600 mT (c)

以上研究結(jié)果表明，磁場可以有效地改善粉末床熔融制造零件的微觀組織和機械性能。2019年獲授權(quán)的一項美國專利表明，磁場也可以用于去除支撐粉末，特別是那些粘附在零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的粉末[49]。在該專利中，Karlen等為含有鐵磁顆粒的粉末床熔融設(shè)備提供了外部磁場，在粉末床熔融制造過程中，隨著鐵磁顆粒的運動而產(chǎn)生了剪切力，鐵磁粒子撞擊未熔化的粉末，并將未熔化的粉末推出內(nèi)部結(jié)構(gòu)或通道。為了提高除粉效率，加快除粉速度，Karlen等采用了時變磁場。

3.3 電弧送絲增材制造

不同于上面兩種增材制造技術(shù)采用的原材料為金屬粉末，電弧送絲增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)技術(shù)采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術(shù)相比，WAAM的沉積效率是基于激光和電子束的增材制造技術(shù)的5～10倍，能量利用率可達到后者的幾十倍，因此其材料利用率更高，成形效率高，設(shè)備成本低，對成形件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成形件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢互補的增材制造成形技術(shù)，是繼激光、電子束增材制造技術(shù)后的又一新的金屬增材制造技術(shù)[50]。

電弧焊接過程與電弧送絲增材制造過程相似，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對電磁場輔助電弧焊接過程已開展大量研究，主要涉及兩種類型電磁場。第一種為與熔積方向垂直的橫向磁場，其與熔池電流作用產(chǎn)生的電磁力可以抑制高速焊接過程中的“駝峰”[51，52]。日本學(xué)者Shoichi等[53]通過后置焊絲插入熔池增強沿焊道方向的電流，進而與外加橫向磁場作用產(chǎn)生向上的電磁力來抑制重力帶來的熔體流淌，實現(xiàn)仰焊。Lim等[54]在電弧焊接過程施加縱向磁場，使熔池中產(chǎn)生繞焊槍軸向的旋轉(zhuǎn)攪拌力，驅(qū)動電弧和熔池金屬做旋轉(zhuǎn)運動，起到調(diào)控組織晶粒大小的作用。Yin等[55]通過數(shù)值模擬方法研究了焊接過程施加磁場對熔池內(nèi)的流場和形貌的影響。

在電弧送絲增材成形過程輔助以外部磁場，通過磁場影響工作區(qū)溫度場、電弧運動狀態(tài)、熔池金屬流動及熔滴過渡方式，可以改善熔覆層內(nèi)部組織和減小熱變形，從而提高增材成形工件質(zhì)量。周祥曼等[56-58]從實驗和模擬的角度對比了施加縱向磁場作用前后電弧送絲增材制造合金鋼的打印層表面形貌，發(fā)現(xiàn)施加磁場時熔覆層表面更平整，質(zhì)量更高。他們分析認為，除了磁場作用下寬高比更大的焊道可以提高搭接精度外，周向的電磁攪拌還能驅(qū)動熔池金屬填充焊道之間的“低谷”區(qū)域(圖9a)；此外，電磁場的施加有利于熔池內(nèi)氣體排出，電磁攪拌作用也使得整個熔池的溫度分布更加均勻，降低了熔池中心高溫區(qū)域的集中趨勢，減弱了晶粒的交匯、競爭生長的趨勢，使得晶粒尺寸更加均勻(圖9b)。力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，磁場作用使得成形樣件在熔積方向和搭接方向的力學(xué)性能有一定的提升，力學(xué)性能的各向異性減小(圖9c)。

圖9 縱向穩(wěn)態(tài)磁場對電弧送絲增材制造的零件表面質(zhì)量和性能影響[56]：(a) 熔池形貌和搭接，(b) 孔隙和組織，(c) 力學(xué)性能Fig.9 Effect of static longitudinal magnetic field on the morphology and mechanical property of wire and arc additive manufactured parts[56]：(a) melt pool and overlapping，(b) pores and microstructure，(c) mechanical properties

Wang等[59]研究了外加磁場對電弧送絲增材成形的Inconel 625合金組織和性能的影響，研究結(jié)果表明，施加磁場可以顯著減小枝晶的尺寸(如圖10b)，磁攪拌力可以減少枝晶間Nb和Mo元素偏析，并提高了打印件的顯微硬度和室溫抗拉強度(圖10c和10d)。

圖10 橫向靜磁場對電弧送絲增材制造的Inconel 625合金組織和性能的影響[59]：(a) 加工過程的示意圖，(b1) 無磁場時的金相照片，(b2)施加磁場的金相照片，(b3) 無磁場時的微觀組織，(b4) 施加磁場的微觀組織，(c) 微觀硬度，(d) 力學(xué)性能Fig.10 Effect of static transverse magnetic field on the microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured Inconel 625 alloys[59]：(a) schematic illustration of processing，(b1) metallograph without magnetic field，(b2) metallograph with magnetic field，(b3) microstructure without magnetic field，(b4) microstructure with magnetic field，(c) micro-hardness，(d) mechanical properties

4 結(jié) 語

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對于靜磁場在金屬增材制造過程的影響已開展了一定的研究，相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)。對靜磁場下增材制造微熔池凝固過程微觀結(jié)構(gòu)演化的研究豐富了增材制造微熔池凝固理論，通過磁場對于熔池內(nèi)流體的主觀控制，可以加強人們理解微熔池流動引發(fā)的傳熱傳質(zhì)變化及其對凝固過程中枝晶外延生長、擇優(yōu)取向、偏析和組織演化等影響。此外，對靜磁場下的金屬增材制造進行研究，也為輔助調(diào)控增材制造微熔池凝固過程和構(gòu)件的控形控性提供理論指導(dǎo)。

然而，對靜磁場下金屬增材制造過程的研究仍面臨諸多問題，主要體現(xiàn)在兩個方面。首先，增材制造過程涉及到多效應(yīng)多尺度復(fù)雜物理過程，其復(fù)雜物理機制目前尚不明確。相比于對金屬定向凝固過程較深入的物理機制認識，對于磁場對增材制造復(fù)雜多物理過程的影響機制的研究不夠深入。另外，目前磁場的施加方式多為永磁鐵和電磁鐵，磁場強度較低，作用效果有限，阻礙了靜磁場輔助增材制造的應(yīng)用和發(fā)展。未來，對靜磁場輔助的金屬增材制造研究可圍繞以下兩個方向進行：① 通過同步輻射表征技術(shù)和與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法深入研究靜磁場對微熔池凝固過程的影響機制，通過調(diào)控磁場強度和方向改變微熔池組織和析出相，改善組織內(nèi)孔隙和裂紋等缺陷；② 開發(fā)適用于增材制造過程的新型磁場，將有助于該領(lǐng)域研究的進一步開展，也有助于增材制造技術(shù)的進一步應(yīng)用推廣，對于我國的工業(yè)強國建設(shè)特別是航空航天等國防軍事領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略價值。