雷竞技rebat激光加工热电材料Bi2Te3的工艺-微观结构关系</t我tle><l我nkhref="https://209cd62b0febf2a55d40-715eb384bc6027b876e93ad33d5c5ec3.ssl.cf3.rackcdn.com/font-awesome-4.3.0/css/font-awesome.min.css" rel="stylesheet"> <link href="https://9d0dd7a648345f19af83-877d2ecaf11b88d5e17327c758e17ef6.ssl.cf2.rackcdn.com/museo-sans-1.0.1/css/museo-sans.css" rel="stylesheet"> <style type="text/css"> </style> </head> <body class="journal-electronic-materials section-thermoelectric-materials"> <a href="#main-content" class="bypassBlock-wrapper" id="bypass"><span class="bypassBlock-button">跳到主要内容</年代p一个n></一个> <noscript> <iframe src="https://www.thespel.com/ns.html?id=GTM-TFKV632>m_auth=NsJH3Ts1-89I8lZURwQYmw>m_preview=env-1>m_cookies_win=x" height="0" width="0" style="display:none;visibility:hidden"></iframe> </noscript>  <noscript> <iframe src="https://www.thespel.com/ns.html?id=GTM-N279F7B>m_auth=jfKETtlWamfZ4l02YiFCQw>m_preview=env-1>m_cookies_win=x" height="0" width="0" style="display:none;visibility:hidden"></iframe> </noscript>  <frontiers-ibar main-domain="frontiersin.org" loop-url="https://loop.frontiersin.org" journal-id="1800"></frontiers-ibar> <div class="page-container sidemenu-collapsed" id="main-content"> <div id="article" class="boxed white no-padding"> <div class="container-fluid main-container-xxl"> <div class="row" id="similar-articles"> <div class="new-wrapper"> <style> .disabled-supplementary-btn { cursor: not-allowed; pointer-events: none; opacity: .65; filter: alpha(opacity=65); -webkit-box-shadow: none; box-shadow: none; } </style> <aside class="right-container"> <div class="side-article-download clearfix"> <ul class="list-unstyled list-inline clearfix"> <li class="dropdown text-center paper"><button data-target="#" class="dropdown-toggle" data-test-id="download-button" data-toggle="dropdown" role="button" aria-expanded="false"><span class="icon-label" data-event="download-button-click">下载文章</年代p一个n></button> <div class="dropdown-menu-wrapper"> <div class="dropdown-menu-mobile-title"> 下载文章</d我v><ulcl一个年代年代＝"dropdown-menu" role="menu"> <li><a class="download-files-pdf action-link" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/pdf" data-test-id="article-downloadpdf" data-event="downloadpdf-button-click">下载</一个></l我><l我><a class="download-files-readcube" href="http://www.readcube.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694" data-test-id="article-viewenhancedpdf" data-event="downloadreadcube-button-click">ReadCube</一个></l我><l我><a class="download-files-epub" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/epub" data-test-id="article-epub" data-event="downloadepub-button-click">EPUB</一个></l我><l我><a class="download-files-nlm" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/xml/nlm" data-test-id="article-nlm" data-event="downloadnlm-button-click">XML (NLM)</一个></l我><l我><a data-test-id="supplementary-button" class="supplemental-data-disabled" data-event="supplementary-button-click" id="supplementary_view">补充<br>gydF4y2Ba材料</一个></l我></ul> <button class="dropdown-menu-mobile-close-button" aria-label="Close" data-toggle="dropdown"></button> </div></li> <li><button class="btn btn-open-supplemental" data-event="supplementary-button-click" id="supplementary_view">补充数据</button></l我> <li class="dropdown"><button type="button" class="navbar-toggle navbar-share" data-toggle="dropdown" data-target="#" aria-expanded="false"></button> <div class="dropdown-menu-wrapper"> <div class="dropdown-menu-mobile-title"> 分享</d我v><ulcl一个年代年代＝"dropdown-menu" role="menu"> <li class="social_block"> <div class="atButton"> <a class="addthis_button_twitter at300b" addthis:title="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" addthis:description="Additive manufacturing allows fabrication of custom-shaped thermoelectric materials while minimizing waste, reducing processing steps, and maximizing integration compared to conventional methods. Establishing the process-structure-property relationship of laser additive manufactured thermoelectric materials facilitates enhanced process control and thermoelectric performance. This research focuses on laser processing of bismuth telluride (Bi2Te3), a well-established thermoelectric material for low temperature applications. Single melt tracks under various parameters (laser power, scan speed and number of scans) were processed on Bi2Te3 powder compacts. A detailed analysis of the transition in the melting mode, grain growth, balling formation, and elemental composition is provided. Rapid melting and solidification of Bi2Te3 resulted in fine-grained microstructure with preferential grain growth along the direction of the temperature gradient. Experimental results were corroborated with simulations for melt pool dimensions as well as grain morphology transitions resulting from the relationship between temperature gradient and solidification rate. Samples processed at 25 W, 350 mm/s with 5 scans resulted in minimized balling and porosity, along with columnar grains having a high density of dislocations." addthis:url="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694" data-event-param="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" title="" target="_blank" href="#"><span class="at-icon-wrapper"></span></a> </div></li> <li class="social_block"> <div class="atButton"> <a class="addthis_button_linkedin at300b" addthis:title="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" addthis:description="Additive manufacturing allows fabrication of custom-shaped thermoelectric materials while minimizing waste, reducing processing steps, and maximizing integration compared to conventional methods. Establishing the process-structure-property relationship of laser additive manufactured thermoelectric materials facilitates enhanced process control and thermoelectric performance. This research focuses on laser processing of bismuth telluride (Bi2Te3), a well-established thermoelectric material for low temperature applications. Single melt tracks under various parameters (laser power, scan speed and number of scans) were processed on Bi2Te3 powder compacts. A detailed analysis of the transition in the melting mode, grain growth, balling formation, and elemental composition is provided. Rapid melting and solidification of Bi2Te3 resulted in fine-grained microstructure with preferential grain growth along the direction of the temperature gradient. Experimental results were corroborated with simulations for melt pool dimensions as well as grain morphology transitions resulting from the relationship between temperature gradient and solidification rate. Samples processed at 25 W, 350 mm/s with 5 scans resulted in minimized balling and porosity, along with columnar grains having a high density of dislocations." addthis:url="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694" data-event-param="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" title="" target="_blank" href="#"><span class="at-icon-wrapper"></span></a> </div></li> <li class="social_block"> <div class="atButton"> <a class="addthis_button_facebook at300b" addthis:title="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" addthis:description="Additive manufacturing allows fabrication of custom-shaped thermoelectric materials while minimizing waste, reducing processing steps, and maximizing integration compared to conventional methods. Establishing the process-structure-property relationship of laser additive manufactured thermoelectric materials facilitates enhanced process control and thermoelectric performance. This research focuses on laser processing of bismuth telluride (Bi2Te3), a well-established thermoelectric material for low temperature applications. Single melt tracks under various parameters (laser power, scan speed and number of scans) were processed on Bi2Te3 powder compacts. A detailed analysis of the transition in the melting mode, grain growth, balling formation, and elemental composition is provided. Rapid melting and solidification of Bi2Te3 resulted in fine-grained microstructure with preferential grain growth along the direction of the temperature gradient. Experimental results were corroborated with simulations for melt pool dimensions as well as grain morphology transitions resulting from the relationship between temperature gradient and solidification rate. Samples processed at 25 W, 350 mm/s with 5 scans resulted in minimized balling and porosity, along with columnar grains having a high density of dislocations." addthis:url="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694" data-event-param="Process-microstructure relationship of laser processed thermoelectric material Bi2Te3" title="" target="_blank" href="#"><span class="at-icon-wrapper"></span></a> </div></li> </ul> <button class="dropdown-menu-mobile-close-button" aria-label="Close" data-toggle="dropdown"></button> </div></li> <li class="dropdown"><button type="button" class="navbar-toggle navbar-citations" data-event="citation-button-click" data-toggle="dropdown" data-target="#" aria-expanded="false"></button> <div class="dropdown-menu-wrapper"> <div class="dropdown-menu-mobile-title"> 出口的引用</d我v><ulcl一个年代年代＝"dropdown-menu" role="menu"> <li><a data-test-id="article-endnote" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/endNote" data-event="endnotedownload-button-click">尾注</一个></l我><l我><a data-test-id="article-referencemanager" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/reference" data-event="referencemanagerdownload-button-click">引用管理器</一个></l我><l我><a data-test-id="article-simpletextfile" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/text" data-event="simpletextfiledownload-button-click">简单文本文件</一个></l我><l我><a data-test-id="article-bibtex" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/bibTex" data-event="bibtexdownload-button-click">助理</一个></l我></ul> <button class="dropdown-menu-mobile-close-button" aria-label="Close" data-toggle="dropdown"></button> </div></li> </ul> </div> <div class="side-article-impact"> <ul class="nav"> <li class="impact-data" title="View numbers are not up-to-date. 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Establishing the process-structure-property relationship of laser additive manufactured thermoelectric materials facilitates enhanced process control and thermoelectric performance. This research focuses on laser processing of bismuth telluride (Bi2Te3), a well-established thermoelectric material for low temperature applications. Single melt tracks under various parameters (laser power, scan speed and number of scans) were processed on Bi2Te3 powder compacts. A detailed analysis of the transition in the melting mode, grain growth, balling formation, and elemental composition is provided. Rapid melting and solidification of Bi2Te3 resulted in fine-grained microstructure with preferential grain growth along the direction of the temperature gradient. Experimental results were corroborated with simulations for melt pool dimensions as well as grain morphology transitions resulting from the relationship between temperature gradient and solidification rate. 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Samples processed at 25 W, 350 mm/s with 5 scans resulted in minimized balling and porosity, along with columnar grains having a high density of dislocations." addthis:url="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694" title=""><span class="at-icon-wrapper" style=" background-color: rgb(29, 161, 242); line-height: 16px; height: 16px; width: 16px; "></span></a> </div><a><span class="total_count"></span></a></li> </ul> </div> <aside id="anchors" class="pull-left table-of-contents side-article"> <div class="side-people hidden-sm hidden-xs"> <section class="side-article-editors"> <header> <h5 class="like-h4">编辑</h5></he一个der><一个class="authors" href="//www.thespel.com/loop/people/1376686/overview" target="_blank"><img alt="" class="pr5 pull-left" onerror="this.src = '/Areas/Articles/Images/Frontiers/Common/Profile/default-loop-profile.jpg'" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/1376686/24"><h6 class="author-link-aside">Ctirad哦</h6></一个><d我vcl一个年代年代="clearfix"></div> <p><span class="notes">美国密歇根大学物理系</年代p一个n></p><header> <h5 class="like-h4">看过的</h5></he一个der><一个class="authors" href="https://loop.frontiersin.org/people/2015621/overview" target="_blank"><img alt="" class="pr5 pull-left" onerror="this.src = '/Areas/Articles/Images/Frontiers/Common/Profile/default-loop-profile.jpg'" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/2015621/24"><h6 class="author-link-aside">从朱</h6></一个><d我vcl一个年代年代="clearfix"></div> <p><span class="notes">浙江大学，中国</年代p一个n></p><一个class="authors" href="https://loop.frontiersin.org/people/2015624/overview" target="_blank"><img alt="" class="pr5 pull-left" onerror="this.src = '/Areas/Articles/Images/Frontiers/Common/Profile/default-loop-profile.jpg'" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/2015624/24"><h6 class="author-link-aside">刘魏</h6></一个><d我vcl一个年代年代="clearfix"></div> <p><span class="notes">中国武汉理工大学</年代p一个n></p><一个class="authors" href="https://loop.frontiersin.org/people/2019608/overview" target="_blank"><img alt="" class="pr5 pull-left" onerror="this.src = '/Areas/Articles/Images/Frontiers/Common/Profile/default-loop-profile.jpg'" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/2019608/24"><h6 class="author-link-aside">基督教Stiewe</h6></一个><d我vcl一个年代年代="clearfix"></div> <p><span class="notes">德国航空航天中心，德国</年代p一个n></p><一个class="authors" href="https://loop.frontiersin.org/people/2019783/overview" target="_blank"><img alt="" class="pr5 pull-left" onerror="this.src = '/Areas/Articles/Images/Frontiers/Common/Profile/default-loop-profile.jpg'" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/2019783/24"><h6 class="author-link-aside">马修·伯顿</h6></一个><d我vcl一个年代年代="clearfix"></div> <p><span class="notes">英国斯旺西大学</年代p一个n></p></年代ection> </div> <nav> <header> <h5 class="like-h4" style="padding-top: 14px; padding-left: 6px; margin-bottom: 6px;">目录</h5></he一个der><ul class="nav nav-list list-unstyled contents" data-event="toc-link-click"> <li> <ul class="flyoutJournal"> <li><a href="#h1">摘要</一个></l我><l我><a href="#h2">简介</一个></l我><l我><a href="#h3">材料与方法</一个></l我><l我><a href="#h4">结果与讨论</一个></l我><l我><a href="#h5">结论</一个></l我><l我><a href="#h6">数据可用性声明</一个></l我><l我><a href="#h7">作者的贡献</一个></l我><l我><a href="#h8">资金</一个></l我><l我><a href="#h9">致谢</一个></l我><l我><a href="#h10">利益冲突</一个></l我><l我><a href="#h11">出版商的注意</一个></l我><l我><a href="#h12">补充材料</一个></l我><l我><a href="#h13">参考文献</一个></l我></ul></li> </ul> </nav> </aside> <div class="clearfix"></div> <div class="side-article-download side-export clearfix"> <ul class="list-unstyled list-inline clearfix"> <li><button class="btn btn-open-supplemental" data-event="supplementary-button-click" id="supplementary_view">开放补充数据</button></l我> <li class="dropdown text-center citation"><button data-target="#" data-test-id="citation-button" data-toggle="dropdown" role="button" aria-expanded="false"><span class="icon-label" data-event="citation-button-click">出口的引用</年代p一个n></button> <ul class="dropdown-menu" role="menu"> <li><a data-test-id="article-endnote" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/endNote" data-event="endnotedownload-button-click">尾注</一个></l我><l我><a data-test-id="article-referencemanager" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/reference" data-event="referencemanagerdownload-button-click">引用管理器</一个></l我><l我><a data-test-id="article-simpletextfile" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/text" data-event="simpletextfiledownload-button-click">简单文本文件</一个></l我><l我><a data-test-id="article-bibtex" href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/bibTex" data-event="bibtexdownload-button-click">助理</一个></l我></ul></li> </ul> </div> <div class="side-crossmark"> <a data-target="crossmark" class="crossmark"> <figure> <img id="crossmark-icon" style="border: 0; width:64px; height:64px;" src="https://crossmark-cdn.crossref.org/widget/v2.0/logos/CROSSMARK_BW_square_no_text.svg" title="" alt=""> </figure> <div id="crossmark-icon"> 检查更新</d我v></一个></d我v><一个rticle class="widget-listing people-also-looked-at side-article-related hidden"> <h5 class="like-h4" data-event="peoplelookedat-link-click">人们还研究了</h5></一个rt我cle></aside> <main class=""> <div class="article-section"> <div class="article-container" data-html="True"> <div class="abstract-container"> <div class="article-header-container">   <div class="header-bar-one"> <h2>原创研究文章</h2></d我v><d我vcl一个年代年代="header-bar-three-container"> <div class="header-bar-three"> 前面。电子。脱线，2022年12月8日<br>gydF4y2Ba第二节热电材料<br><年代p一个ncl一个年代年代＝"volumeInfo">卷2 - 2022 |</年代p一个n><一个href="https://doi.org/10.3389/femat.2022.1046694">https://doi.org/10.3389/femat.2022.1046694</一个></d我v></d我v></div> <div class="JournalAbstract"> <a id="h1" name="h1"></a> <h1>激光加工热电材料Bi的工艺-微观结构关系<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub></h1><d我vcl一个年代s="authors"> <a href="//www.thespel.com/people/u/2011556" class="user-id-2011556"><img class="pr5" src="https://loop.frontiersin.org/images/profile/2011556/24" onerror="this.src='https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg'" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba">Cagri Oztan</一个>，<我米gcl一个年代年代＝"pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba">BengisuŞ我ş本土知识,<我米gcl一个年代年代＝"pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba">Ryan Welch和<我米gcl一个年代年代＝"pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba">Saniya勒布朗*</d我v><ulcl一个年代年代＝"notes"> <li>乔治华盛顿大学机械与航空航天工程系，美国华盛顿州华盛顿特区</l我></ul><pclass="mb15">与传统方法相比，增材制造可以制造定制形状的热电材料，同时最大限度地减少浪费，减少加工步骤，并最大限度地提高集成度。建立激光添加剂制造热电材料的工艺-结构-性能关系，有利于提高工艺控制和热电性能。本文主要研究了碲化铋(Bi<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>），是一种成熟的低温应用热电材料。在Bi上处理不同参数(激光功率、扫描速度和扫描次数)下的单个熔体轨迹<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末压块。详细分析了熔炼模式的转变、晶粒生长、球团形成和元素组成。铋的快速熔化和凝固<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>在温度梯度方向上形成晶粒优先生长的细晶粒组织。实验结果与温度梯度与凝固速率之间的关系所引起的熔池尺寸以及晶粒形貌转变的模拟结果相吻合。样品在25 W, 350 mm/s的条件下进行了5次扫描，得到了最小的球化和孔隙率，以及具有高密度位错的柱状晶粒。</p><d我vcl一个年代年代＝"clear"></div> </div> <div class="JournalFullText"> <a id="h2" name="h2"></a> <h2>简介</h2><pcl一个年代年代＝"mb15">热电器件为热管理和能量转换提供了一种安静、环保、可扩展和低维护的方法。热电器件是固态半导体器件，可以在存在温差或温差的情况下产生电势<e米>反之亦然</e米>，这使得它们成为众多航空航天应用中废热回收的潜在选择(<一个href="#B26">Junior等，2018</一个>）、汽车(<一个href="#B60">杨和Stabler, 2009</一个>）、无线传感器网络(<一个href="#B54">王等，2013</一个>），以及可穿戴设备(<一个href="#B36">列昂诺夫和乌勒斯，2009</一个>）．热电材料的性能特点是无量纲的性能，<e米>ZT型型</e米>，定义为<e米>ZT型型</e米>= (<egydF4y2Ba米>年代</e米><年代up><e米>2</egydF4y2Ba米></年代up><e米>σT</e米>/<egydF4y2Ba米>k</egydF4y2Ba米>），<egydF4y2Ba米>年代</e米>，<e米>σ</egydF4y2Ba米>，<e米>T</egydF4y2Ba米>而且<e米>k</egydF4y2Ba米>分别为塞贝克系数、电导率、绝对温度和导热系数。高效热电材料具有高<e米>ZT型型</e米>．增加<e米>ZT型型</e米>已经实现了<e米>通过</e米>通过结合纳米沉淀物、晶格位错、点缺陷或促进声子散射的纳米结构界面，提高塞贝克系数和分层结构以抑制热导率(<一个href="#B30">Kim et al.， 2013</一个>；<一个href="#B17">傅等，2017</一个>；<一个href="#B40">马苏德等，2018</一个>；<一个href="#B65">Zhou等，2021</一个>）．</p><pcl一个年代年代＝"mb15">另一种提高热电器件性能的方法是设计具有最小寄生热电阻和电阻的器件。然而，器件设计受到热电器件制造方式的限制。此外，热电器件的常见制造技术是费力的，并造成相当大的浪费。传统的制造技术只允许平面形状因素，因此很难采用自定义几何形状，从而提高功率输出(<一个href="#B52">Thimont和LeBlanc, 2019年</一个>；<一个href="#B12">Du等人，2020年</一个>；<一个href="#B49">西克和勒布朗，2020年</一个>；<一个href="#B1">Aljaghtham和Celik, 2021年</一个>）．人们需要更通用的制造方法，降低成本，提高产量，并能够创建定制形状。增材制造已经成为一种技术，可以实现复杂的和/或热电材料的保形几何形状，由于其自由形式，逐层制造方法，具有最大限度地减少昂贵热电材料浪费的额外好处(<一个href="#B41">米勒,2012</一个>；<一个href="#B12">Du等人，2020年</一个>）．在增材制造技术中，激光粉末床熔合(LPBF，也被称为商业名称选择性激光熔化)是一种创新技术，使用激光束熔化粉末材料(<一个href="#B63">Zhang等，2019</一个>）．</p><pcl一个年代年代＝"mb15">LPBF涉及的物理，如表面张力、马兰戈尼流、毛细力、后坐压力和润湿行为，是非常复杂的，并决定了熔池和扫描轨迹的形成(<一个href="#B44">Panwisawas等人，2017</一个>）．该过程需要解决熔池不稳定性和激光与材料之间相互作用产生的残余应力(<一个href="#B31">金等，2015年</一个>）．LPBF处理的部件具有与温度梯度(<一个href="#B63">Zhang等，2019</一个>）．扫描速度、扫描策略和激光功率等工艺参数对显微组织的形成有重要影响。因此，了解LPBF加工部件的工艺结构关系非常重要。</p><pcl一个年代年代＝"mb15">此前，激光加工已成功应用于热电材料的加工。在2015年,<一个href="#B15">El-Desouky等人(2015)</一个>实现了铋的完全熔化<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>使用Nd:YLF脉冲激光器。<一个href="#B14">El-Desouky等人(2017)</一个>然后确定了Bi的流程窗口<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>激光功率在20w到25w之间，几乎完全熔化了材料，相位纯度很高。<一个href="#B62">Zhang et al. (2018)</一个>成功地首次表征了一大块铋<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>结构组装<e米>通过</e米>激光加工的地方有一个峰<e米>ZT型型</e米>在50°C时为0.11。激光加工n型铋<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>随后被调查<一个href="#B56">韦尔奇等人(2020)</一个>；<一个href="#B55">韦尔奇等人(2021)</一个>揭示合成的介观、微观和纳米结构;报告了高位错密度和富碲、富铋区。n型Bi的综合过程图<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>2.7</gydF4y2Ba年代ub>年代e<gydF4y2Ba年代ub>0.3</gydF4y2Ba年代ub>由<一个href="#B39">毛等人(2017)</一个>其中能量密度被用来描述工艺参数对化学计量的影响。热电材料增材制造的主要价值主张是能够将热电材料集成到系统中，从而实现最小的发电或热管理功能。因此,加强<e米>ZT型型</e米>并不是一直以来的目标。</p><pcl一个年代年代＝"mb15">虽然以前的研究对激光加工铋提供了重要的见解<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>，为了有效地利用该工艺，需要对工艺-微观结构关系有更深入的了解。在本研究中，我们确定了未掺杂铋的工艺窗口<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>使用归一化焓值代替能量密度和经验方法来捕捉熔化模式的转变。研究了重熔过程中组织和熔池形状的变化，以及晶粒形貌由柱状向等轴状转变的过程。激光加热产生的温度梯度的有限元建模能够预测熔池尺寸以及与温度梯度与凝固速率之比相关的晶粒形态转变。这些预测结果与实验结果进行了定量和定性比较。</p><一个我d＝"h3" name="h3"></a> <h2>材料与方法</h2><h3.cl一个年代年代＝"pt0">激光加工及Bi成像<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>契约</h3.><pcl一个年代年代＝"mb0">在Bi上处理熔体轨迹<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末压缩使用自定义激光加工设置。纯度为99.99%的未掺杂铋<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>在300mpa的压缩压力下，使用Carver压力机将American Elements (CA，美国)的粉末压成15mm宽的圆盘。铋的相纯度<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>采用Cu Kα辐射x射线衍射(XRD, Bruker D8 Advance，德国)对粉末进行了表征。先前的工作显示，这种材料的激光加工很有前途(<一个href="#B62">Zhang等，2018</一个>）．扫描电子显微镜(FEI Teneo LV SEM)接收到的Bi图像<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末和粉末容器的截面如图所示<一个href="#F1">图1</一个>．压实后的样品呈现出相对密度为86%的微多孔结构。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图1</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g001.jpg" name="Figure1" target="_blank"><img id="F1" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g001.jpg"></a> <p><b>图1</b>gydF4y2Ba．的扫描电子显微照片<b>（一)</b>gydF4y2Ba收到基Bi<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉和<b>(B)</b>gydgydgydF4y2BaF4y2BaF4y2Ba压实Bi截面<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>激光加工前的粉末。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0">使用自定义LPBF设置(1070 nm, 50 μ m光斑大小，100 W YAG激光器，带有美国IPG Photonics公司的F-theta透镜)在压缩磁盘上创建单个扫描轨迹，在氧气水平<0.01%的高纯度氩气气氛中，使用腔室顶部的传感器进行监测。激光光栅是用一个积分振镜扫描仪控制的。在每个粉末压片上分别做3条间隔5mm的单向熔体轨迹，分别扫描1次、3次和5次。激光功率和扫描速度在20 - 35w和250 - 400mm /s之间变化，这是基于先前工作的最佳参数(<一个href="#B62">Zhang等，2018</一个>）．随后用光学显微镜(徕卡DM 2700M RL)和偏光器对扫描轨迹进行俯视图成像。然后，将激光处理过的粉末压片从中间垂直于激光扫描方向进行切片，装入环氧模具中，并进行抛光。最后的抛光阶段使用0.04微米的胶体二氧化硅浆(Allied HighTech # 180-25015)完成。抛光后的截面用扫描电子显微镜成像，观察孔隙率、熔池几何形状和热开裂。电子背散射衍射(EBSD)分析能够表征熔池中的晶粒取向。采用能量色散光谱(EDS)对激光处理样品的元素组成进行了表征。利用镓聚焦离子束和扫描电子显微镜(FEI Helios FIB SEM)从熔池中提取薄片，进行透射电子显微镜(TEM)分析。TEM样品的厚度为100-200 nm，能够表征所选Bi的纳米结构<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>融化的痕迹。为了确定热电性能的变化，在不同的工艺参数下制备了2 mm厚的矩形棱镜状体样(15 × 5 mm)。在氦环境中，使用商用Linseis LSR-3 (Linseis Gmbh, Selb，德国)对大块样品的温度依赖性塞贝克系数和电导率进行了表征。</p><h3.cl一个年代年代＝"pt0">模拟</h3.><pcl一个年代年代＝"mb0">为了模拟激光熔化过程中熔池的形成，建立了熔池的时空温度梯度模型<e米>通过</e米>COMSOL Multiphysics软件(5.5版)。几何形状被定义为一个体，三维Bi<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末床安装在不锈钢基板上。问题的对称性允许我们将建模限制在熔体轨道域的一半，减少了所需的计算资源。粉床尺寸设置为1 × 0.4 × 0.25 mm，如图所示<一个href="#F2">图2</一个>．网格的大小取决于激光光束入射的表面的接近程度。最小的网格尺寸位于顶部表面，最大单元尺寸为12µm，而最大网格尺寸位于底部，最大单元尺寸为120µm。在实验中，粉末压实机安装在304L不锈钢制成的固体基板上，因此在模拟中选择相同的基板材料，长、宽、高尺寸分别为1 × 0.4 × 0.20 mm。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图2</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g002.jpg" name="Figure2" target="_blank"><img id="F2" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g002.jpg"></a> <p><b>图2</b>gydF4y2Ba．网状Bi<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>在我们的模拟中使用的几何。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0">在模拟中，熔池内的热量被消耗掉<e米>通过</e米>对流和辐射沿上表面和<e米>通过</e米>传导到粉末床。由于缺少Bi的蒸发温度，通过平均Bi和Te的蒸发温度，将粉末的熔化和蒸发也纳入了模型<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>在文献中。熔池的形成和温度分布由能量守恒决定，如图所示<一个href="#e1">情商。</一个>与先前的激光加工模拟工作一致(<一个href="#B24">Imani Shahabad等人，2021年</一个>；<一个href="#B58">Wu等人，2021</一个>；<一个href="#B2">安萨里和萨拉姆奇，2022年</一个>）：</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e1"> <mrow> <mi mathvariant="bold"> ρ</米我><米年代ub><米我米athvariant="bold"> C</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> p</米我></米年代ub><米frac> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold"> T</米我></米row> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold"> t</米我></米row> </mfrac> <mo> ＝</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold"> 一个</米我><米年代ub><米我米athvariant="bold"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold"> l</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 年代</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> e</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> r</米我></米row> </msub> <mo> −</米o><米row> <mo> （</米o><米row> <msub> <mi mathvariant="bold"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold"> c</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> o</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> d</米我></米row> </msub> <mo> +</米o><米年代ub><米我米一个thvariant="bold"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold"> r</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> d</米我></米row> </msub> <mo> +</米o><米年代ub><米我米一个thvariant="bold"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold"> c</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> o</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> v</米我></米row> </msub> </mrow> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>1</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<e米>Tρ</egydF4y2Ba米><我nl我ne-formula id="inf1"> <math id="m2"> <mrow> <msub> <mi> C</米我><米我>p</gydF4y2Ba米我></米年代ub></米row> </math> </inline-formula><em>,一个</e米>而且<e米>k</egydF4y2Ba米>分别为绝对温度、密度、恒压比热容、吸收率和热导率。右边的热项对应的是激光束传递给粉末的热量(<e米>问</e米><年代ub><e米>激光</e米></年代ub>），从熔池散发到周围粉床的净传导热(<e米>问</e米><年代ub><e米>气孔导度</e米></年代ub>）、对流热损失(<e米>问</e米><年代ub><e米>conv</e米></年代ub>），以及辐射热损失(<e米>问</e米><年代ub><e米>r一个d</e米></年代ub>）．导电分量的计算采用傅里叶热传导定律，给出<一个href="#e2">情商。</一个>：</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e2"> <mrow> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> c</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> o</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> d</米我></米row> </msub> <mo> ＝</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold"> ∇</米我><米o>∙</gydF4y2Ba米o><米row> <mo> （</米o><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> k</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> ∇</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> T</米我></米row> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>2</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 由激光传递的热量，提供在<一个href="#e3">情商。</一个>，假设为高斯分布，如Rosenthal之前所使用的(<一个href="#B48">罗森塔尔,1941</一个>）：<d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e3"> <mrow> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> l</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 年代</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> e</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> r</米我></米row> </msub> <mo> ＝</米o><米frac> <mi mathvariant="bold-italic"> P</米我><米row> <mn mathvariant="bold"> 2</米n><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> π</米我><米年代up><米我米athvariant="bold-italic"> σ</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 2</米n></米年代up></米row> </mfrac> <mi mathvariant="bold"> 经验值</米我><米o>⁡</gydF4y2Ba米o><米o>⁡</gydF4y2Ba米o><米row> <mo> （</米o><米row> <mo> −</米o><米frac> <mrow> <msup> <mi mathvariant="bold-italic"> x</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 2</米n></米年代up><米o>+</米o><米年代up><米我米一个thvariant="bold-italic"> y</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 2</米n></米年代up></米row> <mrow> <mn mathvariant="bold"> 2</米n><米年代up><米我米一个thvariant="bold-italic"> σ</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 2</米n></米年代up></米row> </mfrac> </mrow> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>3.</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<e米>P</egydF4y2Ba米>而且<e米>σ</egydF4y2Ba米>表示激光功率和激光束的辐射半径<e米>x</egydF4y2Ba米>而且<e米>y</egydF4y2Ba米>坐标,分别。某些影响如阴影、多重反射和光束角度被忽略(<一个href="#B35">Leitz等人，2017年</一个>）．中提供的斯特凡-玻尔兹曼定律模拟了热耗散的辐射分量<一个href="#e4">Eq。4</一个>这些条款<我nl我ne-formula id="inf2"> <math id="m5"> <mrow> <mi> ϵ</米我></米row> </math> </inline-formula>， σ和<e米>T</egydF4y2Ba米><年代ub><e米>0</egydF4y2Ba米></年代ub>粉末床的平均热发射率(0.66)，Stefan-Boltzmann常数<我nl我ne-formula id="inf3"> <math id="m6"> <mrow> <mo> （</米o><米row> <mn> 5.67</米n><米o>×</gydF4y2Ba米o><米年代up><米n>10</gydF4y2Ba米n><米row> <mo> −</米o><米n>8</gydF4y2Ba米n></米row> </msup> <mtext> </mtext> <mi> W</米我><米o>/</gydF4y2Ba米o><米年代up><米我>米</米我><米n>2</gydF4y2Ba米n></米年代up><米年代up> <mi> K</米我><米n>4</gydF4y2Ba米n></米年代up></米row> <mo> ）</米o></米row> </math> </inline-formula>和环境温度(300k)，分别为:</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e4"> <mrow> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> r</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> d</米我></米row> </msub> <mo> ＝</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> ϵ</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> σ</米我><米row> <mo> （</米o><米row> <msup> <mi mathvariant="bold-italic"> T</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 4</米n></米年代up><米o>−</米o><米年代up><米年代ub><米i mathvariant="bold-italic"> T</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 0</米n></米年代ub><米n米一个thvariant="bold"> 4</米n></米年代up></米row> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>4</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 对流热损失是用<一个href="#e5">情商。</一个>在哪里<e米>h</egydF4y2Ba米>为对流换热系数。在这项工作中，有一个常数<e米>h</egydF4y2Ba米>值为25 W/m<年代up>2</gydF4y2Ba年代up>K用于近似自然对流(<一个href="#B25">Incropera等人，1996年</一个>）．<d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e5"> <mrow> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> 问</米我><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> c</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> o</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> v</米我></米row> </msub> <mo> ＝</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> h</米我><米row> <mo> （</米o><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> T</米我><米o>−</gydF4y2Ba米o><米年代ub><米我米一个thvariant="bold-italic"> T</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 0</米n></米年代ub></米row> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>5</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 熔解和蒸发热损失采用表观热容法进行模拟。它使熔化和蒸发过程中的相变潜热可以通过修改热容项来计算，而不是在能量平衡中增加潜热项(<一个href="#B42">多重物理量,2012</一个>）．绝热边界条件(<我nl我ne-formula id="inf4"> <math id="m9"> <mrow> <msup> <mi> 问</米我><米o>”</米o></米年代up><米o>＝</米o><米n>0</gydF4y2Ba米n></米row> </math> </inline-formula>)施加于底面，初始条件假设区域与环境温度处于热平衡(<我nl我ne-formula id="inf5"> <math id="m10"> <mrow> <msub> <mi> T</米我><米n>0</gydF4y2Ba米n></米年代ub></米row> </math> </inline-formula>= 300 K)。模拟中的热边界条件总结在<一个href="#F3">图3</一个>．铋的材料性质<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>给出了模拟中使用的粉末床<一个href="#T1">表1</一个>．</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图3</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g003.jpg" name="Figure3" target="_blank"><img id="F3" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g003.jpg"></a> <p><b>图3</b>gydF4y2Ba．数值模型中边界条件的示意图。激光热输入和散热发生在壁面顶部<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>而粉末床的底部具有绝热边界条件(<我nl我ne-formula id="inf6"> <math id="m11"> <mrow> <msup> <mi mathvariant="bold-italic"> 问</米我><米o>”</米o></米年代up><米o>＝</米o><米n米一个thv一个r我一个nt="bold"> 0</米n></米row> </math> </inline-formula>)．初始条件假定与环境温度(<我nl我ne-formula id="inf7"> <math id="m12"> <mrow> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> T</米我><米n米一个thv一个r我ant="bold"> 0</米n></米年代ub></米row> </math> </inline-formula>= 300k)。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 表1</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-t001.jpg" name="Table1" target="_blank"><img id="T1" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-t001.jpg"></a> <p><b>表1</b>gydF4y2Ba．Bi的材料特性<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末床用于模拟。虽然在本文中没有使用这些符号<我nl我ne-formula id="inf8"> <math id="m13"> <mrow> <msub> <mi> T</米我><米row> <mi> 米</米我><米我>e</gydF4y2Ba米我><米我>l</gydF4y2Ba米我><米我>t</gydF4y2Ba米我></米row> </msub> </mrow> </math> </inline-formula>，<我nl我ne-formula id="inf9"> <math id="m14"> <mrow> <msub> <mi> T</米我><米row> <mi> e</米我><米我>v</gydF4y2Ba米我><米我>一个</米我><米我>p</gydF4y2Ba米我><米我>o</gydF4y2Ba米我><米我>r</gydF4y2Ba米我><米我>一个</米我><米我>t</gydF4y2Ba米我><米我>我</米我><米我>o</gydF4y2Ba米我><米我>n</gydF4y2Ba米我></米row> </msub> </mrow> </math> </inline-formula>，<我nl我ne-formula id="inf10"> <math id="m15"> <mrow> <msub> <mi> l</米我><米row> <mi> 米</米我><米我>e</gydF4y2Ba米我><米我>l</gydF4y2Ba米我><米我>t</gydF4y2Ba米我></米row> </msub> </mrow> </math> </inline-formula>而且<我nl我ne-formula id="inf11"> <math id="m16"> <mrow> <msub> <mi> l</米我><米row> <mi> e</米我><米我>v</gydF4y2Ba米我><米我>一个</米我><米我>p</gydF4y2Ba米我><米我>o</gydF4y2Ba米我><米我>r</gydF4y2Ba米我><米我>一个</米我><米我>t</gydF4y2Ba米我><米我>我</米我><米我>o</gydF4y2Ba米我><米我>n</gydF4y2Ba米我></米row> </msub> </mrow> </math> </inline-formula>在FEM代码中使用，因此为了清晰起见，这里提供了它们。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0">铋的密度<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉层计算采用<一个href="#e6">情商。</一个>：</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e6"> <mrow> <mi mathvariant="bold-italic"> ρ</米我><米o>＝</米o><米年代ub><米我米一个thvariant="bold-italic"> ρ</米我><米row> <mi mathvariant="bold-italic"> b</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> u</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> l</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> k</米我></米row> </msub> <mrow> <mo> （</米o><米row> <mn mathvariant="bold"> 1</米n><米o>−</gydF4y2Ba米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> Φ</米我></米row> <mo> ）</米o></米row> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>6</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<我nl我ne-formula id="inf22"> <math id="m28"> <mrow> <mi> ρ</米我></米row> </math> </inline-formula>，<我nl我ne-formula id="inf23"> <math id="m29"> <mrow> <msub> <mi> ρ</米我><米row> <mi> b</米我><米我>u</gydF4y2Ba米我><米我>l</gydF4y2Ba米我><米我>k</gydF4y2Ba米我></米row> </msub> </mrow> </math> </inline-formula>而且<我nl我ne-formula id="inf24"> <math id="m30"> <mrow> <mi> Φ</米我></米row> </math> </inline-formula>Bi的固态密度是多少<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>， Bi的容重<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>和粉末层孔隙度。304L衬底的温度依赖性热导率、密度和比热数据取自(<一个href="#B29">金正日,1975</一个>；<一个href="#B23">Ho和Chu, 1977</一个>）．</p><pcl一个年代年代＝"mb0">通过计算熔池中的温度梯度和凝固速率，模拟了晶粒向等轴转变的过程。温度梯度，<我nl我ne-formula id="inf25"> <math id="m31"> <mrow> <mi> G</米我></米row> </math> </inline-formula>，在熔池的两条等温线之间计算<一个href="#e7">7情商。</一个>表示温度梯度向量的大小:</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e7"> <mrow> <mi mathvariant="bold-italic"> G</米我><米o>＝</米o><米row> <mo> ‖</米o><米row> <mo> ∇</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mo> ‖</米o></米row> <mo> ＝</米o><米年代问rt><米row> <msup> <mrow> <mo> （</米o><米row> <mfrac> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> x</米我></米row> </mfrac> </mrow> <mo> ）</米o></米row> <mn mathvariant="bold"> 2</米n></米年代up><米o>+</米o><米年代up><米row> <mo> （</米o><米row> <mfrac> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> y</米我></米row> </mfrac> </mrow> <mo> ）</米o></米row> <mn mathvariant="bold"> 2</米n></米年代up><米o>+</米o><米年代up><米row> <mo> （</米o><米row> <mfrac> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> z</米我></米row> </mfrac> </mrow> <mo> ）</米o></米row> <mn mathvariant="bold"> 2</米n></米年代up></米row> </msqrt> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>7</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 凝固速率，<我nl我ne-formula id="inf26"> <math id="m33"> <mrow> <mi> R</米我></米row> </math> </inline-formula>，为固液界面的推进速率，定义为<一个href="#e8">情商。</一个>：</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e8"> <mrow> <mi mathvariant="bold-italic"> R</米我><米o>＝</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> V</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 因为</米我><米o>⁡</gydF4y2Ba米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> α</米我></米row> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>8</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<我nl我ne-formula id="inf27"> <math id="m35"> <mrow> <mi> V</米我></米row> </math> </inline-formula>而且<我nl我ne-formula id="inf28"> <math id="m36"> <mrow> <mi> α</米我></米row> </math> </inline-formula>分别为激光扫描速度和扫描方向与凝固方向的夹角。因此，这个术语<我nl我ne-formula id="inf29"> <math id="m37"> <mrow> <mi> 因为</米我><米o>⁡</gydF4y2Ba米o><米我>α</gydF4y2Ba米我></米row> </math> </inline-formula>可以确定为<一个href="#e9">Eq。9</一个>．</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e9"> <mrow> <mi mathvariant="bold"> 因为</米我><米o>⁡</gydF4y2Ba米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> α</米我><米o>＝</米o><米frac> <mrow> <mo> −</米o><米frac> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mrow> <mo> ∂</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> x</米我></米row> </mfrac> </mrow> <mrow> <mo> ‖</米o><米row> <mo> ∇</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> T</米我></米row> <mo> ‖</米o></米row> </mfrac> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>9</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 进行了模拟以模拟熔池的形成，并将预测的熔池几何形状和晶粒形态与实验样品中观察到的相比较，如下节所述。<一个我d＝"h4" name="h4"></a> <h2>结果与讨论</h2><h3.cl一个年代年代＝"pt0">熔化区形态</h3.><pcl一个年代年代＝"mb0">本节讨论了熔池区域的形态，并将熔池尺寸的实验结果与模拟数据进行了比较。同时，还提供了晶粒形貌的实验和计算分析。为了检测单个熔体轨迹中球化的极限，对单个扫描后的熔体轨迹进行自上而下的光学显微镜成像，如图所示<一个href="#F4">图4</一个>．在激光功率为25-30 W和扫描速度为300-350 mm/s之间，观察到熔体轨迹表面光滑、一致、连续，极少出现球化现象。激光功率为35 W，在所有扫描速度下都能产生球团;在25w和30w的较慢扫描速度为250mm /s时，球化也很突出。在较低的激光功率下，熔体轨迹在宽度和收缩引起的球化方面存在不一致，这可能是由于毛细管不稳定效应和润湿性降低(<一个href="#B37">Li et al.， 2012</一个>）．在LPBF中，起球是一种有害的影响，发生在某些工艺参数下，如低激光功率导致低过冷或高扫描速度引发高毛细管不稳定性(<一个href="#B21">顾和沈，2009</一个>）．因此，选择能够消除LPBF中起球现象的激光参数对于低孔隙率零件的制造非常重要。此外，整个过程中的氧化(<一个href="#B11">Das, 2003</一个>），例如压实过程中困在粉末压实器内的微量氧气或建造室内的残余氧气，都可能导致球团形成。在这里，处理是在氧气分析仪的阈值氧气浓度小于0.01%的情况下进行的。<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图4</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g004.jpg" name="Figure4" target="_blank"><img id="F4" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g004.jpg"></a> <b>图4</b>gydF4y2Ba．光学显微镜图像的顶部表面的单激光扫描熔化轨道在Bi<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末紧凑的范围内的入射激光功率和扫描速度。</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 在25-30 W和300-350 mm/s加工的单扫描熔体轨迹显示出很少的球化。由于重新扫描策略可以通过减少毛细血管不稳定性来进一步减少球化(<一个href="#B37">Li et al.， 2012</一个>），在相同的工艺参数下重新扫描每条熔体轨迹。提供了重新扫描5次的熔体轨迹的光学显微镜图像<一个href="#F5">图5一个</一个>其中，在重新扫描后，所有样品中都实现了球化的大幅减少。虽然在35w时几乎完全消除了球化，但在熔体轨道上仍存在压痕。这些凹痕很可能是由反冲压力造成的，反冲压力导致向外流动和熔体排出，导致更大的熔体轨迹。然而，在中等水平的激光功率(25 W和30 W)下，这种情况得到缓解，导致更稳定的熔体轨迹。快速、重复的熔化和凝固循环导致熔体轨迹表面出现针状组织，如图所示<一个href="#F5">图5中</一个>．这种颗粒的形成可归因于(<一个href="#B63">Zhang等，2019</一个>）．重新扫描也导致残余应力开裂增加<一个href="#F5">图5汉英</一个>由于铋的脆性行为<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>（<一个href="#B56">韦尔奇等人，2020</一个>）．<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图5</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g005.jpg" name="Figure5" target="_blank"><img id="F5" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g005.jpg"></a> <b>图5</b>gydF4y2Ba．<b>（一)</b>gydF4y2Ba光学显微镜下的熔痕顶部表面扫描了五次。扫描五次样品的俯视图<b>（B, C)</b>25gydF4y2Baw, 350mm /s，<b>（D，E）</b>3.0gydgydF4y2BaF4y2Baw, 300mm /s。</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 熔池截面的晶粒形貌为柱状晶粒，向熔体中心线方向方向<一个href="#F6">图6</一个>．利用偏振光在光学显微镜下观察熔化区与周围粉末之间的界面，确定熔池的边界。在许多情况下，熔化材料和周围粉末材料之间的边界上存在有助于指示界面的孔隙。对于没有大量捕获孔的边界，光的偏振角度发生变化，直到熔化区域从粉末致密体向定向晶粒转变明显;这一转变被认为是熔池的边界。熔池图像也显示了一个传导到锁孔模式的转变，激光功率为30 W，扫描3次。在LPBF中，当转移到熔池的能量过高时，由于熔池温度高于沸点(<一个href="#B5">Bertoli等人，2017</一个>）．另一方面，传导模式加工的特点是局部熔化，汽化不明显，深宽比(<一个href="#B19">Gomell等人，2022</一个>）．<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图6</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g006.jpg" name="Figure6" target="_blank"><img id="F6" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g006.jpg"></a> <b>图6</b>gydF4y2Ba．偏振光显微镜图像的熔池横截面显示柱状树枝晶晶粒。</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 由于强烈的反冲压力，小孔模式对熔池有不利的影响。<一个href="#B34">Le and Lo, 2019年</一个>）．尽管许多研究都将能量密度作为捕捉传导到小孔转变的度量标准，但能量密度是一个热力学量，忽略了驱动熔池形成的某些物理因素，如表面张力和后坐力。其他指标能够捕捉每个工艺参数的相关物理特性和影响。Eagar和Tsai声称，高斯激光源处理材料的最高温度和熔化模式与P/成正比<我nl我ne-formula id="inf30"> <math id="m39"> <mrow> <msqrt> <mi> V</米我></米年代问rt></米row> </math> </inline-formula>并且受激光功率增加的影响更大，而不是扫描速度(<一个href="#B13">Eagar和Tsai, 1983年</一个>）．这一理论也解释了当使用更高的激光功率水平时，锁孔熔化模式的高流行率，如前所述<一个href="#B5">Bertoli等人(2017)</一个>．在同一部作品中，<一个href="#B5">Bertoli等人(2017)</一个>无量纲归一化焓的变化趋势与无量纲归一化焓的变化趋势相似<e米>P/</egydF4y2Ba米><我nl我ne-formula id="inf31"> <math id="m40"> <mrow> <msqrt> <mi> V</米我></米年代问rt></米row> </math> </inline-formula>．归一化焓为激光沉积能量密度与合金熔体焓的比值;它表示为:</p><d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e10"> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo> ∆</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> H</米我></米row> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> h</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 年代</米我></米年代ub></米frac> <mo> ＝</米o><米frac> <mrow> <mi mathvariant="bold-italic"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> P</米我></米row> <mrow> <mi 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(2014)</一个>使用的标准<一个href="#e11">Eq。11</一个>捕获316L不锈钢的传导模式到锁孔模式转变的阈值:<d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e11"> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo> ∆</米o><米我米一个thv一个r我ant="bold-italic"> H</米我></米row> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> h</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 年代</米我></米年代ub></米frac> <mo> ≥</米o><米frac> <mrow> <mi mathvariant="bold-italic"> π</米我><米年代ub><米我米athvariant="bold-italic"> T</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> b</米我></米年代ub></米row> <msub> <mi mathvariant="bold-italic"> T</米我><米我米一个thv一个riant="bold-italic"> 米</米我></米年代ub></米frac> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>11</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<e米>T</egydF4y2Ba米><年代ub><e米>b</egydF4y2Ba米></年代ub>而且<e米>T</egydF4y2Ba米><年代ub><e米>米</e米></年代ub>分别是材料的沸点和熔点。我们评估了碲化铋的归一化焓使用属性值从(<一个href="#B47">Rammos 2020</一个>）．我们将归一化焓的变化与另一个无量纲量的熔池深度进行比较<e米>(d)</egydF4y2Ba米>由激光光斑大小归一化(<e米>σ</egydF4y2Ba米>），详见<一个href="#F7">图7</一个>．在标准化焓为5.3左右，熔化模式的近似跃迁是明显的。<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图7</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g007.jpg" name="Figure7" target="_blank"><img id="F7" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g007.jpg"></a> <b>图7</b>gydF4y2Ba．铋熔炼LPBF熔炼态在传导态和小孔态之间的转变<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>．</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 将不同激光功率和扫描速度下单个熔体轨迹的模拟结果与实验数据进行了比较。给出了熔池形成的模拟结果的一个例子<一个href="#F8">图8</一个>．该模型忽略了熔体区域的后坐力和马兰戈尼流动，这是熔体流动不稳定的主要驱动力。因此，该模型无法捕捉熔池内部和周围孔隙的形成。<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图8</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g008.jpg" name="Figure8" target="_blank"><img id="F8" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g008.jpg"></a> <b>图8</b>gydF4y2Ba．模拟中典型的温度梯度可视化(从而间接地显示熔池)。在所示实例中，工艺参数为25 W和350 mm/s。</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 文中给出了仿真数据与实验结果的比较<一个href="#F9">图9</一个>．模拟结果与实验结果相吻合，特别是在较高的扫描速度下。当温度为25 W和300 mm/s时，模拟结果显示熔池比实验深且窄。这是由于模型中缺少马兰戈尼流，使得由于液体流向向外和向下而导致的压痕无法建模。当扫描速度提高到350 mm/s时，模拟结果更加准确，因为更高的表面张力降低了施加在熔池上的合力。该模型无法捕捉到30 W和300 mm/s时向锁孔加工状态的过渡。这可能有两个原因。首先，在模拟中被忽略的后坐力压力变得比表面张力更重要，产生了很高的向下净力。其次，激光光束在粉末内部的多次反射极大地增强了激光吸收率，这在模拟中是恒定的，从而导致更有效的能量转移到熔池(<一个href="#B64">赵等，2020</一个>）．由于在实验中转换回传导模式，这种差异减少了350 mm/s。<d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图9</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g009.jpg" name="Figure9" target="_blank"><img id="F9" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g009.jpg"></a> <b>图9</b>gydF4y2Ba．单次扫描不同激光参数下熔池形成形态的实验与计算比较。中所示的实验样品的横截面图像所确定的虚线白线表示熔池的边缘<一个href="#F6">图6</一个>．</d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> 在LPBF构件中，晶粒尺寸、形貌和取向等微观结构特征受温度梯度和凝固速率的影响。根据凝固理论，温度梯度比(<e米>G</egydF4y2Ba米>）和凝固速率(<e米>R</egydF4y2Ba米>）为冷却速率;冷却速率是控制晶粒形貌的主要参数(<一个href="#B43">奥拉坎米等人，2015</一个>；<一个href="#B59">严等，2017</一个>）．较高的冷却速率导致柱状晶粒，而较低的冷却速率导致等轴晶粒(<一个href="#B22">他等人，2021年</一个>）．因此，在25 W和350 mm/s下扫描一次的样品微观结构中，从模拟中推断出柱状向等轴转变，并与实验观察到的柱状向等轴转变进行了比较。从模拟数据中，从相距25µm的点采集温度梯度和凝固速率数据，如图所示<一个href="#F10">图10</一个>．紫色点显示了相对较低的冷却速率(即低<e米>G/R</egydF4y2Ba米>比例)，并在熔池中心观察，如图所示<一个href="#F10">图10</一个>．模拟结果预测了该区域的柱状向等轴状转变。的变化<e米>G</egydF4y2Ba米>与<e米>R</egydF4y2Ba米>在每个点上都画了<一个href="#F10">图10 b</一个>．为了从数学上确定柱状到等轴的过渡极限，从<一个href="#B33">Kurz et al. (2001)</一个>是用过的，是给出的<一个href="#e12">Eq。12</一个>：<d我vcl一个年代年代＝"equationImageholder"> <math id="e12"> <mrow> <mo> ｛</米o><米t一个blecolu米n一个lign="center"> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac bevelled="true"> <mrow> <msup> <mi mathvariant="bold"> G</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我></米年代up></米row> <mrow> <mi mathvariant="bold"> R</米我></米row> </mfrac> <mo> <</米o><米年代ub><米我米一个thvariant="bold"> C</米我><米row> <mi mathvariant="bold"> 年代</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> t</米我></米row> </msub> <mo> ，</米o><米text></米text> <mi mathvariant="bold"> E</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 问</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> u</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 我</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> x</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> e</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> d</米我><米text></米text> <mi mathvariant="bold"> g</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> r</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 我</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 年代</米我></米row> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac 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，</米o><米text></米text> <mi mathvariant="bold"> C</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> o</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> l</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> u</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 米</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> r</米我><米text></米text> <mi mathvariant="bold"> G</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> r</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 一个</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 我</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> n</米我><米我米一个thv一个riant="bold"> 年代</米我></米row> </mtd> </mtr> </mtable> </mrow> <mspace width="5em"></mspace> <mo stretchy="false"> （</米o><米n>12</gydF4y2Ba米n><米o圣retchy＝"false"> ）</米o></米一个th><d我vclass="clear"></div> </div> 在哪里<e米>C</egydF4y2Ba米><年代ub><e米>圣</e米></年代ub>柱状向等轴状转变的极限是什么<e米>n</egydF4y2Ba米>为温度梯度函数的幂指数。通过拟合曲线<一个href="#F10">图10 b</一个>，<e米>n</egydF4y2Ba米>而且<e米>C</egydF4y2Ba米><年代ub><e米>圣</e米></年代ub>分别计算为6.97和4.48 × 10<年代up>3.</gydF4y2Ba年代up>．换句话说，柱状向等轴状转变将发生在<我nl我ne-formula id="inf32"> <math id="m44"> <mrow> <mi> G</米我><米o>/</gydF4y2Ba米o><米年代up><米我>R</米我><米n>0.143</gydF4y2Ba米n></米年代up></米row> </math> </inline-formula>超过3.34。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图10</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g010.jpg" name="Figure10" target="_blank"><img id="F10" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g010.jpg"></a> <p><b>图10</b>gydF4y2Ba．<b>（一)</b>gydF4y2Ba温度梯度的点<e米>G</egydF4y2Ba米>和凝固速率<e米>R</egydF4y2Ba米>计算数据。计算柱状到等轴过渡极限发生在紫色点周围，<b>(B)</b>gydgydgydF4y2BaF4y2BaF4y2Ba计算<e米>gr</egydF4y2Ba米>数据,<b>(C)</b>EgydgydgydF4y2BaF4y2BaF4y2BaBSD图像显示模拟中所用样品的计算柱状到等轴过渡极限(25 W, 350 mm/s，单次扫描)，<b>(D)</b>5gydgydgydF4y2BaF4y2BaF4y2Ba次扫描的EBSD图像显示更大的柱状向等轴过渡区域。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0">模拟柱状向等轴状转变<一个href="#F10">图10</一个>与在相同参数(25 W和350 mm/s)下处理的样品的EBSD图所获得的实验柱状到等轴过渡进行比较，如<一个href="#F10">图10 c</一个>．在熔池中心附近发现了柱状向等轴状转变，这与模拟结果吻合较好。在实验柱状向等轴过渡极限外，晶粒以柱状组织为主，并沿温度梯度有取向。另一方面，<一个href="#F10">图10 d</一个>显示了扫描五次的相同样品的EBSD图像，该图像具有大得多的等轴晶粒区域。从<一个href="#F10">图10 d</一个>，表明扫描策略减小了晶粒尺寸，导致柱状过渡区向等轴过渡区扩展(<一个href="#B20">格里菲斯等人，2018年</一个>）．在大货样品中<e米>通过</e米>在激光增材制造中，由于铋的存在，晶粒内部会发生优先取向<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>是一层状化合物(<一个href="#B45">邱等，2019</一个>；<一个href="#B46">Qiu等，2021</一个>）．铋矿晶粒优先取向的主要驱动力<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>具有较高的堆积密度、电场和热梯度(<一个href="#B51">Tang等，2022</一个>）．因此，任何诱导热梯度的制造方法，如LPBF，都鼓励Bi的优先取向<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub></p><h3.class="pt0">纳米和微观结构分析</h3.><pcl一个年代年代＝"mb0">由于光学显微镜分析显示，在激光功率25,30 W和扫描速度300,350 mm/s下处理的样品表现出最稳定的熔体轨迹和最小的球化，因此对这些样品进行了扫描电镜分析。扫描电镜图像显示于<一个href="#F11">图11</一个>表明在一次扫描后获得的两个熔池都有一个凹陷形成，这可以归因于反冲压力控制表面张力。施加在熔融铋上的反冲压力<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>造成向外流动，随后形成洼地，如前所述由<一个href="#B28">Khairallah等人(2016)</一个>．当激光功率较高(30 W)时，激光吸收能力增强，达到了锁孔状态，反冲压力对熔池的影响更为明显(<一个href="#B64">赵等，2020</一个>）．这导致凹陷比25 W时更深。由于熔池中局部冷区的形成(<一个href="#B4">巴亚特等人，2019</一个>），而重熔策略则会降低粉床材料的吸收率，造成较浅的熔池(<一个href="#B20">格里菲斯等人，2018年</一个>）．因此，在锁孔区域重新扫描可能会加剧孔隙性问题。此外，Bi的导热系数较低<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>由于较宽的冷区，以锁孔模式重新扫描会加剧孔隙度的形成。因此，在30 W、300 mm/s条件下扫描5次的熔池孔隙率最差。相比之下，在25 W和350 mm/s处理下的熔池扫描电镜图像表明，在传导模式下重新扫描导致了更小的孔隙率和更浅的熔池。这可以归因于后坐压力的逐渐降低，与锁孔模式处理相比，后坐压力已经很低。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图11</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g011.jpg" name="Figure11" target="_blank"><img id="F11" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g011.jpg"></a> <p><b>图11</b>gydF4y2Ba．在每个相应的激光参数组扫描熔池的扫描电子显微镜图像。每个图上标记的点表示进行能量色散谱分析的位置，并对应于中数值EDS数据的行<一个href="#T2">表2</一个>．</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0">该能量色散谱(EDS)测量的原子百分比采取从每个点显示<一个href="#F11">图11</一个>并将其比值总结在<一个href="#T2">表2</一个>．EDS数据显示气孔周围存在氧气。氧气可能存在于粉末压实机的形成(由于压实机的大小在空气中压实)或加工过程中构建室中的残留氧气。在激光加工过程中，这些氧气可能会被困在气孔中。在未来，可以通过始终将粉末保持在惰性气体环境中并确保氧气完全从加工室中排出来防止氧化。不同比例的Te<年代ub>在%</年代ub>/Bi<年代ub>在%</年代ub>表明加工样品中的相分离，这与早期工作一致(<一个href="#B57">吴等，2017</一个>；<一个href="#B56">韦尔奇等人，2020</一个>）．25 W、350 mm/s、5次扫描制备的样品含有Te<年代ub>在%</年代ub>/Bi<年代ub>在%</年代ub>比值最接近1.5，这表明该样品与原始Bi(激光加工前)的元素组成最相似<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉末材料。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 表2</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-t002.jpg" name="Table2" target="_blank"><img id="T2" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-t002.jpg"></a> <p><b>表2</b>gydF4y2Ba．所示点对应EDS数据中氧、铋和碲原子百分比的变化<一个href="#F11">图11</一个>．</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <p class="mb0"><a href="#F12">图12</一个>显示从25 W, 350 mm/s和5次扫描制备的样品中提取的薄片的TEM图像。<一个href="#F12">图12</一个>晶粒密度高(5.08 × 10<年代up>11</gydF4y2Ba年代up>谷物/ m<年代up>2</gydF4y2Ba年代up>），这是由于激光加工过程中快速的局部加热和冷却循环，这与其他对n型Bi的研究结果很好地吻合<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>（<一个href="#B56">韦尔奇等人，2020</一个>）．这种界面可以促进声子散射，从而降低热导率(<一个href="#B53">Wan et al.， 2012</一个>），因此LPBF可能是一种很有前途的设计低导热热电材料的方法。<一个href="#F12">图12 b</一个>显示一个富氧区域，表明铋氧化物的存在，由于微量氧保留在建造室，在粉末容器内，或在粉末上。<一个href="#F12">图12 c</一个>在晶体结构中显示59.46°的扭曲，导致局部应变场，这可能进一步促进声子散射(<一个href="#B61">Yu等，2017</一个>）．<一个href="#F12">图12 d</一个>验证前面提到的扭曲是否存在。</p><d我vcl一个年代年代＝"DottedLine"></div> <div class="Imageheaders"> 图12</d我v><d我vcl一个年代年代＝"FigureDesc"> <a href="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g012.jpg" name="Figure12" target="_blank"><img id="F12" alt="www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba" class="lazy" data-src="//www.thespel.com/files/Articles/1046694/femat-02-1046694-HTML/image_m/femat-02-1046694-g012.jpg"></a> <p><b>图12</b>gydF4y2Ba．激光处理铋的透射电镜图像<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>：<b>（一)</b>gydF4y2Ba显微组织中晶粒和位错密度高;<b>(B)</b>tegydgydgydF4y2BaF4y2BaF4y2Ba缺乏区，含氧化铋包体，<b>（c- d)</b>gydF4y2Ba晶体取向的差异会导致局部应变场。</p></d我v><d我vcl一个年代年代="clear"></div> <div class="DottedLine"></div> <a id="h5" name="h5"></a> <h2>结论</h2><pcl一个年代年代＝"mb15">这项工作为激光加工未掺杂铋的工艺-微观结构关系提供了深入的见解<年代ub>2</gydF4y2Ba年代ub>Te<gydF4y2Ba年代ub>3.</gydF4y2Ba年代ub>粉。对不同扫描速度、激光功率和扫描次数下的单个熔体轨迹形貌进行了实验和计算表征。具有稳定熔池的工艺窗口在25 ~ 30 W和300 ~ 400 mm/s之间。反复扫描使熔池变浅，因为表面张力比后坐力更占主导地位。由于能量密度是一个热力学量，仅能捕捉熔池中的熔化模式，因此使用了一种与归一化焓和熔池深度相对应的分析，表明在归一化焓为5.3时发生了转变。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析表明，尽管加工室的氧气水平降到最低，但整个熔池中仍不可避免地存在氧化物。通过计算熔池内的温度梯度和凝固速率，模拟了柱状晶向等轴晶转变区域。计算得到的柱状到等轴的转变与EBSD图在实验样品中观察到的转变接近。本研究结果为进一步了解激光加工热电材料的工艺-微观结构关系提供了依据。未来的工作可以致力于通过大块样品的制造和热电特性来研究这些材料的工艺-结构-性能关系，这项工作可以为热电材料激光增材制造的蓬勃发展提供信息。</p><一个我d＝"h6" name="h6"></a> <h2>数据可用性声明</h2><pcl一个年代年代＝"mb15">该研究中提出的原始贡献已包括在文章/中<一个href="#SM1">补充材料</一个>，可向通讯作者查询。</p><一个我d＝"h7" name="h7"></a> <h2>作者的贡献</h2><pcl一个年代年代＝"mb0">CO:概念化，实验，微观结构表征，手稿撰写，BS:模拟，RW:透射电子显微镜，SL:整体研究监督，手稿审查和编辑。</p><一个我d＝"h8" name="h8"></a> <h2>资金</h2><pcl一个年代年代＝"mb0">SL感谢国家科学基金会职业奖的支持。CMMI-1943104和美国能源部，能源效率和可再生能源部，先进制造办公室奖编号DE-EE0009100和DE-EE009097。SL, CO, BS和RW感谢海军研究办公室的支持。n0014 - 20 - 1 - 2365。</p><一个我d＝"h9" name="h9"></a> <h2>致谢</h2><pcl一个年代年代＝"mb03">作者感谢乔治华盛顿大学纳米制造和成像中心和弗吉尼亚大学Richard White博士的合作，进行EBSD分析。</p><一个我d＝"h10" name="h10"></a> <h2>利益冲突</h2><pcl一个年代年代＝"mb0">作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。</p><一个我d＝"h11" name="h11"></a> <h2>出版商的注意</h2><pcl一个年代年代＝"mb15">本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。</p><一个我d＝"h12" name="h12"></a> <h2>补充材料</h2><pcl一个年代年代＝"mb15" id="SM1">本文的补充资料可在以下网址找到:<一个href="//www.thespel.com/articles/10.3389/femat.2022.1046694/full">https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/femat.2022.1046694/full#supplementary-material</一个></p><一个我d＝"h13" name="h13"></a> <h2>参考文献</h2><d我vcl一个年代年代＝"References"> <p class="ReferencesCopy1"><a name="B1" id="B1"></a>Aljaghtham, M.和Celik, E.(2021)。新型单单元分段热电发电系统能量转换效率和热可靠性的数值分析。<e米>Int。J.能源储备。</e米>45（6）， 8810-8823。doi: 10.1002 / er.6416</p><pcl一个年代年代＝"ReferencesCopy2"><a href="https://doi.org/10.1002/er.6416">CrossRef全文</一个>|<gydF4y2Ba一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Numerical+analysis+of+energy+conversion+efficiency+and+thermal+reliability+of+novel,+unileg+segmented+thermoelectric+generation+systems&btnG=">谷歌学者</一个></p></d我v><d我v class="References"> <p class="ReferencesCopy1"><a name="B2" id="B2"></a>Ansari, P.和Salamci, m.u.(2022)。基于选择性激光熔化的AlSi10Mg增材制造:通过多物理场模拟和实验验证对工艺参数进行了研究。<e米>J。合金公司。</e米>890（2022）， 161873。doi: 10.1016 / j.jallcom.2021.161873</p><pcl一个年代年代＝"ReferencesCopy2"><a href="https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161873">CrossRef全文</一个>|<gydF4y2Ba一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=On+the+selective+laser+melting+based+additive+manufacturing+of+AlSi10Mg:+The+process+parameter+investigation+through+multiphysics+simulation+and+experimental+validation&btnG=">谷歌学者</一个></p></d我v><d我v class="References"> <p class="ReferencesCopy1"><a name="B3" id="B3"></a>Barin, I.， Knacke, O.， and Kubaschewski, O.(2013)。<e米>无机物的热化学性质:补充</e米>．柏林:<年代p一个ncl一个年代年代＝"publisher-name">施普林格科学与商业媒体</年代p一个n>．</p><pcl一个年代年代＝"ReferencesCopy2"><a href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Thermochemical+properties+of+inorganic+substances:+Supplement&btnG=">谷歌学者</一个></p></d我v><d我v class="References"> <p class="ReferencesCopy1"><a name="B4" id="B4"></a>巴亚特，M.， Thanki, A.， Mohanty, S.， Witvrouw, A.， Yang, S.， Thorborg, J.等(2019)。Ti6Al4V激光粉末床熔合(L-PBF)中小孔诱导的孔隙:高保真建模和实验验证。<e米>添加剂。Manuf。</e米>3.0日,100835年。doi: 10.1016 / j.addma.2019.100835</p><pcl一个年代年代＝"ReferencesCopy2"><a href="https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100835">CrossRef全文</一个>|<gydF4y2Ba一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Keyhole-induced+porosities+in+laser-based+powder+bed+fusion+(L-PBF)+of+Ti6Al4V:+High-fidelity+modelling+and+experimental+validation&btnG=">谷歌学者</一个></p></d我v><d我v class="References"> <p class="ReferencesCopy1"><a name="B5" id="B5"></a>贝托利，美国，沃尔夫，a.j.，马修斯，m.j.， Delplanque, j.p.r.， Schoenung, j.m.(2017)。论体积能量密度作为选择性激光熔炼设计参数的局限性。<e米>板牙。Des。</e米>113.年,331 - 340。doi: 10.1016 / j.matdes.2016.10.037</p><pcl一个年代年代＝"ReferencesCopy2"><a 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