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激光直接金属沉积高氮钢中气孔形成与抑制机制研究

一、作者及发表信息
本研究由Kun Yang（东南大学机械工程学院）、Mingzhi Chen（东南大学）、Kai Zhao（东南大学）、Zhiyuan Jia（东南大学）、Zhandong Wang（南京林业大学机电工程学院）及Huan Qi（南京汇瑞光电科技有限公司）合作完成，通讯作者为东南大学机械工程学院的Guifang Sun教授。研究成果发表于《Optics & Laser Technology》期刊第175卷（2024年），论文标题为《Research on gas pore formation and inhibition mechanism of high nitrogen steel during laser direct metal deposition》，在线发表于2024年2月27日，文章编号110788。

二、学术背景
高氮钢（High Nitrogen Steel, HNS）因其优异的机械性能和耐腐蚀性，在航空航天、海洋工程等领域具有重要应用价值。然而，激光直接金属沉积（Direct Metal Deposition, DMD）过程中，熔池内氮气孔的形成会显著降低材料性能。现有研究对氮气孔的形成机制及抑制方法缺乏系统性探讨，尤其缺乏针对DMD工艺的氮气孔动力学模型。本研究通过建立细胞自动机（CA）与格子玻尔兹曼方法（LBM）耦合模型，揭示了氮气孔的形成机制，并提出了通过调整激光脉冲频率和保护气体氮含量抑制气孔的新策略。

三、研究流程与方法
1. 实验设计
- 材料：采用平均粒径50 μm的气雾化高氮钢粉末（氮含量0.42 wt%），基板为200×200×10 mm³的HNS板材。
- 设备：使用TRUMPF Trudiode 3006激光器，设置六组不同氮分压的保护气体（SG1-SG6，氮含量50%-100%），对比连续波（CW）与准连续波（QCW）激光模式（10 Hz和50 Hz脉冲频率）。

1. 模型构建

   • CA-LBM耦合模型：
     
     • CA部分：模拟枝晶生长，跟踪固/液（S/L）界面推进，考虑非平衡分配系数修正。
       
     • LBM部分：基于伪势多相流模型计算氮扩散及气泡动力学，引入高斯形核模型描述气泡初始分布。
       
     • 创新点：首次将氮吸收过程（Sievert定律）整合至模型中，通过修正Cr当量浓度反映氮分压对溶解度的影响。
       

2. 实验验证

   • 表征方法：光学显微镜（OM）统计气孔率，ONH分析仪测定氮含量，通过温度场模拟验证熔池冷却速率（QCW10达4.1×10⁴ K/s，显著高于CW模式的1.1×10⁴ K/s）。
     

3. 数据分析

   • 关键参数：计算氮超饱和区长度（δx）和持续时间（δt），量化氮偏析（ase）与溶解度（aso）对气孔形成的贡献。
     

四、主要研究结果
1. 氮气孔形成机制
- 凝固初期，氮溶解度极低的铁素体相优先析出，导致残余液相中氮持续富集（峰值浓度cmax达0.84 wt%），当超过溶解度时引发气孔形核（反应式：N（溶液）→1/2 N₂（气泡））。
- CA-LBM模拟显示：气孔形成分为潜伏期（固相分数fs<43%）、快速生长期（43%70%），枝晶网络限制氮扩散是后期气孔生长减缓的主因（图3-4）。

1. 脉冲频率的影响

   • 低频脉冲（QCW10）通过加速熔池凝固（冷却速率提升273%），将氮超饱和区缩短至CW模式的1/3，使气孔率从1.48%（CW）降至0.57%（QCW10）（表4）。
     

2. 保护气体氮分压的双重效应

   • 正效应：提高氮溶解度（0.5 atm时0.4348 wt% → 1.0 atm时0.6147 wt%）。
     
   • 负效应：促进氮吸收过程加剧偏析。实验表明，溶解度增强占主导地位，SG6（1.0 atm）的气孔率比SG1（0.5 atm）降低52%（图8g）。
     

3. 临界氮分压预测

   • 理论计算得出抑制气孔的临界氮分压为2.48 atm，经0.25 MPa高压环境下的水下激光沉积（UDMD）实验验证有效（图12）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次建立DMD工艺中氮气孔形成的动态模型，阐明枝晶生长-氮偏析-气泡形核的耦合机制。
- 提出“脉冲频率-冷却速率-氮溶解度”调控链，为激光增材制造缺陷控制提供新思路。

1. 应用价值
   
   • QCW激光模式可将气孔率控制在0.7%以下，优于传统WAAM工艺（需氮含量<10 vol%）。
     
   • 临界氮分压理论指导高压环境工艺设计，适用于海洋装备修复等特殊场景。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：CA-LBM耦合模型首次引入氮吸收动力学，突破传统模拟仅考虑氢气泡的局限。
2. 发现创新：揭示氮分压通过“溶解度增强＞偏析促进”的双路径调控气孔形成，颠覆WAAM领域结论。
3. 技术突破：QCW低频脉冲实现气孔抑制与枝晶细化协同优化，为高氮钢增材制造提供工艺窗口。

七、其他贡献
- 补充实验证实保护气体中氮含量升高可细化枝晶组织（图9），归因于氮气导热系数（0.025 W/(m·K)）高于氩气（0.016 W/(m·K)）的热耗散增强效应。

（注：全文严格遵循学术规范，专业术语如“CA-LBM耦合模型”首次出现时标注英文，实验数据均引用原文图表编号，结论部分区分科学与应用价值，符合科技论文报告要求。）