重磅論文：鈦合金粉末循環(huán)利用時(shí)粉末形態(tài)和零件微觀結(jié)構(gòu)的演變

金屬的增材制造（AM）工藝正在快速發(fā)展,，與減材制造工藝相比,，AM減少了設(shè)計(jì)限制,，并可以大大減少材料浪費(fèi),。但是,，要使金屬增材制造在航空航天中得到廣泛應(yīng)用,，必須解決一些基本問(wèn)題,。

2020年4月8日，南極熊看到,，華盛頓大學(xué)研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于“粉末重復(fù)利用對(duì)3D打印零件質(zhì)量的影響”的論文,。該論文發(fā)表在《 Materialia》雜志上,，主要研究的是Ti6Al4V粉末（可商購(gòu)的5級(jí)鈦合金）在電子束粉末床熔融工藝中重復(fù)利用所帶來(lái)的變化。

當(dāng)為安全關(guān)鍵型應(yīng)用（例如高應(yīng)力航空航天組件）制造零件時(shí),，質(zhì)量至關(guān)重要,。在金屬粉末床熔融的工藝中，經(jīng)常通過(guò)粉末再利用來(lái)提高其經(jīng)濟(jì)性,，但是隨著時(shí)間和使用周期的增加,，降低了粉末的物理性能。原料的沉積,，熔化和鋪設(shè)會(huì)在細(xì)粉顆粒上施加應(yīng)力,，使它們從其原始球形變形，直到它們不再以最佳方式流動(dòng)為止,。該研究小組希望研究高應(yīng)力部件的增材制造方式,，以原材料的質(zhì)量及其對(duì)最終零件的機(jī)械性能的影響為重點(diǎn)。

本研究使用電子束熔化（EBM）技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行了30個(gè)構(gòu)建周期的打印,，其中“ b1”是第一個(gè)構(gòu)建周期,，而“ b30”是最終構(gòu)建周期（約480 h的構(gòu)建時(shí)間）。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)約六個(gè)月,，所有3D打印均在ARCAM A2X EBM系統(tǒng)上完成,，研究人員在實(shí)驗(yàn)的每個(gè)階段對(duì)粉末進(jìn)行了表征，研究了粉末中顆粒大小的分布及其對(duì)成型質(zhì)量的總體影響,。

每個(gè)構(gòu)建周期制造的樣本,，圖片來(lái)自華盛頓大學(xué)。

結(jié)果表明,，該過(guò)程的幾乎所有方面都受粉末再利用的影響,。具體而言，粒徑分布變窄,，顆粒的損壞會(huì)隨著重復(fù)使用而增加,，包括表面變形（球形度降低），部分熔化和/或顆粒融合和破裂,。在粉末上使用掃描電子顯微鏡后,，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著粉末再利用周期的增加,，其形態(tài)和表面質(zhì)量將顯著下降,。 在b1時(shí)，粉末顆�,；�本上是球形的并且光��,。 隨著循環(huán)的進(jìn)行，微小的顆粒最終融合在一起并粘附在周圍較大顆粒的表面上,。 到了b30,，研究人員觀察到較大顆粒的損壞和變形很大,，而較小顆粒則完全消失了。

△在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中粉末的形態(tài),， 圖片來(lái)自華盛頓大學(xué),。

然后，研究人員研究了金字塔試樣的晶粒微觀結(jié)構(gòu),，研究了它們?cè)谕�一部分中的高度如何不��,，以及在六個(gè)月的建造周期中它們?nèi)绾尾煌��?金字塔零件在靠近零件頂部的地方具有較緊密的編織圖案，而在3D打印零件的底部附近則具有較寬松的紋理結(jié)構(gòu),。 隨著制造周期數(shù)的增加,，零件的晶粒結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了稍寬的分布。 根據(jù)研究,，這表明零件的冷卻速率隨構(gòu)建高度的增加而增加,，但在整個(gè)構(gòu)建周期中沒(méi)有顯著差異。

△金字塔試樣的晶粒微觀結(jié)構(gòu),，取決于高度和建造周期，圖片來(lái)自華盛頓大學(xué),。

詳細(xì)研究結(jié)果：

1. 粉末尺寸和形態(tài)

來(lái)自光學(xué)顯微鏡的原始粉末的顯微照片顯示在圖3（a）中,。 該顯微照片突出顯示了大范圍的粒徑，附著在較大顆粒上的附屬顆粒以及非球形顆粒的示例,。 來(lái)自每個(gè)構(gòu)件的粉末樣品的顯微照片用于通過(guò)圖像分析表征粉末尺寸分布,。 圖3（b）顯示了從顯微照片中從包括b1，b10,，b20和b30在內(nèi)的多個(gè)版本獲得的尺寸分布,。 小顆粒的數(shù)量明顯減少，中值周圍的分布范圍逐漸縮小,，變?yōu)楦�高斯分布�?br />

圖3.粉末特性 （a）b1的原始粉末的顯微照片,。紅色箭頭突出顯示了原始粉末中存在的選定小顆粒。 紅色圓圈突出顯示一些不規(guī)則顆粒,。 （b）粉末尺寸從b1擴(kuò)展到b30,。

從LSPA獲得的粒度分布的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。這些結(jié)果以較高（D90）和較低十分之一（D10）百分位數(shù)以及中位數(shù)（D50）表示,。 盡管中值粒徑隨著粉末的重復(fù)使用而保持幾乎恒定,，但D10的輕微降低和D90分布的更大幅度降低，從上下百分比分布的趨勢(shì)可以明顯看出,。

圖4.粉末尺寸分布以及在30個(gè)構(gòu)建中重復(fù)使用粉末的情況,。 根據(jù)LSPA確定繪制第10，第50和第90個(gè)百分位,。

除了顆粒尺寸的變化外,，表面紋理和整體形態(tài)也會(huì)隨著重復(fù)使用而變化,。圖5中顯示了b1和b30之間的粉末比較。具體地說(shuō),，圖5（a）至（e）分別顯示了來(lái)自b1,，b7，b10,，b20和b30的顆粒的代表性圖像,。顯微分析表明，對(duì)于原始粉末,，僅四個(gè)重復(fù)使用周期就發(fā)生了明顯變化,。最值得注意的是小顆粒數(shù)量的減少（例如，圖5（a））以及形態(tài)變化,。顆粒表面顯示出表面變形的跡象,，包括凹痕（例如圖5（b）），凹痕的大小隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加而演變（圖5（c）-（e））,。除了變形的發(fā)展程度外,，還有一些不規(guī)則的高縱橫比顆粒，隨著粉末再利用的增加,，顆粒數(shù)量普遍增加,。此類別的粒子示例如圖6所示，其中包括破裂的粒子（圖6（a））,，熔合的粒子（圖6（b））和看上去是重鑄的粒子（圖6（c））,。 ）。

圖5.重復(fù)使用過(guò)程中粉末尺寸和形態(tài)的變化,。 （a）在原始粉末（b1）中,，顆粒表面相對(duì)光滑并且具有高球形度。有許多細(xì)小顆粒會(huì)聚結(jié)或粘附在較大顆粒的表面,。 （b）-（d）中b7,，b10和b20中粉末的代表視圖分別顯示了顆粒表面損壞的進(jìn)展和不存在細(xì)小顆粒的情況。在b30（e）中,，顆粒是不規(guī)則的,，具有一些主要變形和損壞。

圖6. b1,，b14和b30粉末中的受損顆粒示例,。 分別顯示了（a）破裂，（b）團(tuán)聚/熔融和（c）熔融/不規(guī)則顆粒的樣品,。 通常,，在通過(guò)SEM評(píng)估的所有結(jié)構(gòu)的粉末中都發(fā)現(xiàn)了這些類型的損壞顆粒。

2. 化學(xué)分析

關(guān)于化學(xué)成分的分析，圖7（a）給出了粉末中金屬元素的重量百分比分布,，其是構(gòu)建和回收過(guò)程的函數(shù),。 從該圖中可以明顯看出，V的重量百分比變化微不足道,，而在30個(gè)構(gòu)建周期中Al的增加很�,。�0.03％）。 Al和V的值適合于檢查組成的趨勢(shì),，但不一定用于獲得絕對(duì)組成,。 表1中列出了版本b1，b10,，b20和b30的主要元素的平均度量,。 從表中可以明顯看出，F(xiàn)e從0.21wt％增加到0.29wt％,。 釔也包括在掃描中,，但未出現(xiàn)在圖7（a）中，因?yàn)閮H在少數(shù)生成物中發(fā)現(xiàn)了釔,，wt％約為0.001或更小,。 該Y水平遠(yuǎn)低于ASTM F2924 [34]所規(guī)定的0.005wt％的極限。

圖7.在整個(gè)使用過(guò)程中粉末的化學(xué)成分,。 （a）XRF的Al,，V和Fe顯示出幾乎恒定的趨勢(shì)。 Fe保持在0.30wt％極限以下,。 （b）來(lái)自IGF的O，N和H,。 濃度極限用虛線和與元素協(xié)調(diào)的顏色表示,。 N和H含量保持恒定，而O含量隨重復(fù)使用而增加,，并超過(guò)b1的0.20 wt％限制,。

表1. b1，b10,，b20和b30的粉末中關(guān)鍵元素的濃度,。

與XRF的局限性相反，IGF技術(shù)為絕對(duì)復(fù)合物提供了準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù),，如圖7（b）所示,。 O和N間隙地溶解到Ti晶格中，并在達(dá)到足夠的重量百分比時(shí)形成氧化物和氮化物,，這會(huì)影響機(jī)械性能的各個(gè)方面,。除了這些元素的實(shí)驗(yàn)方法外，還顯示了根據(jù)ASTM F2924 [34]給出的Ti6Al4V的濃度極限,。在所有構(gòu)件中,，N的測(cè)量濃度在0.014 wt％處保持相對(duì)恒定,，這遠(yuǎn)低于0.05 wt％的極限。類似地,，H的濃度幾乎保持恒定,，而粉末的再利用率約為0.0012 wt％，遠(yuǎn)低于0.015 wt％的限值,。與其他污染物相比,，O含量的重量百分比呈線性增加，如圖7（b）所示,。 b11的濃度超過(guò)0.20 wt％,，這是ASTM F2924 [34]定義的極限。每增加約0.007 wt％,，b30中的O含量平均達(dá)到0.36 wt％,，這是該等級(jí)鈦合金中允許的O極限的1.75倍。

3. 微觀結(jié)構(gòu)

顯微組織分析的第一階段處理了先前的β晶粒寬度,，其結(jié)果如圖8所示,。對(duì)于圖8（a）的金字塔幾何形狀,，先前的β晶粒寬度隨著沿中心軸的高度增加而顯著增加,。 基地到標(biāo)本的頂部。 如圖中所示,，無(wú)論構(gòu)建數(shù)量如何,，都可以觀察到這種趨勢(shì)。 先前的β晶粒寬度不會(huì)隨著構(gòu)建數(shù)的增加和粉末用量的增加而明顯增加,。 對(duì)于樓梯幾何形狀（圖8（b））,，與金字塔的先前β尺寸相比，先前的β寬度尺寸顯示出更緊密的尺寸分布,，且高度和總體寬度較小,。 對(duì)于所有建筑，樓梯的前β寬度在近似相等的高度（10.5對(duì)10毫米）處比金字塔小47％,，而平均寬度低30％,。

圖8.金字塔（a）和階梯（b）的先前β晶粒尺寸。

從SEM圖像獲得α板條厚度的測(cè)量結(jié)果,，金字塔和階梯的b1和b30的微觀結(jié)構(gòu)的代表性圖像示于圖1和2中,。分別為9和10。從這些圖中可以明顯看出,，兩種構(gòu)建幾何形狀的微觀結(jié)構(gòu)都隨著構(gòu)建高度而發(fā)生明顯變化,。這些變化是根據(jù)α體積分?jǐn)?shù)和α板條厚度以及構(gòu)建編號(hào)的函數(shù)進(jìn)行量化的（圖11）。具體地，分別在圖11（a）和11（b）中示出金字塔的α體積分?jǐn)?shù)和α-板條厚度,，在圖11（c）和（d）中分別示出樓梯的α體積分?jǐn)?shù)和α-板條厚度,。通常，α特性表現(xiàn)出對(duì)構(gòu)建高度的依賴性,。在金字塔中,，除了b20以外，所有構(gòu)建編號(hào)的α體積分?jǐn)?shù)均隨構(gòu)建高度的增加而減�,。▓D11（a））,。 α-板條的厚度也隨著距模板的距離的增加而減小，并且隨著粉末的再利用程度的提高而展現(xiàn)出這種空間特征的擴(kuò)大（圖11（b））,。對(duì)于樓梯,，α相的體積分?jǐn)?shù)似乎在空間上的依賴性較�,。▓D11（c））,，并且隨著重復(fù)使用沒(méi)有明顯的趨勢(shì)。圖11（d）顯示了樓梯樣本自由表面的α板條厚度測(cè)量值與位置和建造數(shù)量的關(guān)系,。粉末再利用的分布似乎在擴(kuò)大,，這與金字塔相似。在比較兩種幾何形狀的響應(yīng)時(shí),，金字塔和階梯之間的微觀結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是金字塔中的α體積和板條厚度的分布范圍更廣，并且隨著粉末的重復(fù)使用,，α板條厚度也隨之增加,。不論在成型零件中的位置如何（表2）,，隨著粉末的再利用,，α板條厚度只有一個(gè)趨勢(shì),。

圖9.金字塔形試樣從底部到頂部的距零件底部2,、10和22mm的微觀結(jié)構(gòu),。 在每個(gè)高度上,，從b1（左）和b30（右）顯示了顯微照片。 請(qǐng)注意,，從金字塔的底部到頂部,，籃狀圖案趨于緊密。

圖10.樓梯樣品從底部到頂部的微結(jié)構(gòu),，距零件底部0.5,、5.5和10.5mm。 在每個(gè)高度上，從b1（左）和b30（右）顯示了顯微照片,。 請(qǐng)注意,，從樓梯的底部到頂部，籃筐的織造趨于緊密,。

圖11.α含量的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),。 （a）金字塔樣品的α體積分?jǐn)?shù)百分比。 （b）金字塔樣本的α板條厚度（以微米為單位）,。 （c）和（d）分別與（a）和（b）相同,，但對(duì)于階梯試樣。

表2.金字塔和樓梯零件的關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)特征,。 值是給定零件中所有高度的平均值,。

最終結(jié)論

基于對(duì)5級(jí)Ti6Al4V的EBM AM中的粉末重復(fù)使用的實(shí)驗(yàn)研究，該例程涉及30個(gè)連續(xù)構(gòu)建,，得出以下結(jié)論：

（1）粒度分布從原始條件（b1）的雙峰分布演變?yōu)榉勰┰倮�用的高斯分��,。此外,，粒度的范圍隨著粉末再利用程度的提高而減小,，這是由于衛(wèi)星和小顆粒數(shù)量的減少（10D10）以及最大顆粒平均直徑的減小所致。

（2）在30個(gè)構(gòu)件中,，主要合金元素（Al和V）和金屬污染物（Fe和Y）的濃度遠(yuǎn)低于ASTM F2924定義的5級(jí)Ti6Al4V的限值。此外,，H和N的濃度仍遠(yuǎn)低于其各自的極限,。

（3）隨著粉末的重復(fù)使用，O污染呈線性增加,，并且在30個(gè)構(gòu)建周期內(nèi)增加了一倍以上,。通過(guò)b11，O的濃度超過(guò)了0.2wt％的極限,。

（4）隨著重復(fù)使用,，粉末最顯著的變化之一是顆粒表面變形增加和物理?yè)p壞。顆粒的形狀隨著重復(fù)使用周期的變化而變化,，從球形幾何形狀逐漸變形為表面凹痕和不規(guī)則形狀,。粉末降解的這一方面似乎是由回收和零件提取過(guò)程的機(jī)械方面引起的。另外,，隨著粉末的再利用,，斷裂的顆粒，部分熔融的顆粒和重鑄的顆粒增加,。

（5）金字塔中心軸的α板條厚度隨成型高度的增加而減小,，隨粉末再利用而略有增加,。這表明冷卻速度隨構(gòu)建高度的增加而增加。相反,，中心軸先前的β晶粒寬度隨成型高度而增加,，但隨著粉末再利用而沒(méi)有增加。這意味著超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時(shí)間隨構(gòu)建高度的增加而增加,，但是粉末再利用不會(huì)影響超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時(shí)間,。

（6）樓梯自由表面的α板條厚度不依賴于構(gòu)建高度或粉末再利用。這意味著冷卻速度在整個(gè)構(gòu)建高度中保持恒定,，而回收的構(gòu)建在自由表面處保持不變。先前的β晶粒寬度隨構(gòu)建高度而增加,，但遠(yuǎn)低于金字塔中的寬度,，這表明不管高度如何，自由表面條件都會(huì)經(jīng)歷相似的熱歷史,。


該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“ Electron beam additive manufacturing of Ti6Al4V: Evolution of powder morphology and part microstructure with powder reuse”中找到,。它由S. Ghods，E,。Schultz,，C。Wisdoma,，R,。Schur，R,。Pahuja,，A。Montelione,，D,。Arola和M. Ramulu合著。


編譯自：3dprintingindustry