綜述：選擇性激光熔化增材制造(SLM)中的掃描策略

來源：江蘇激光聯(lián)盟

在增材制造工藝中,，能量自高能束轉(zhuǎn)移到加工的材料上。高能量的輸入和非均勻的溫度分布造成巨大的溫度梯度,、巨大的熱應(yīng)力和翹曲變形,。掃描策略，是AM制造工藝中的一個加工參數(shù),，對3D打印部件的顯微組織,、機械性能和殘余應(yīng)力起到至關(guān)重要的作用。因此非常有必要對當(dāng)前掃描策略在AM中的研究現(xiàn)狀進行綜述,。這一綜述主要聚焦在SLM工藝過程中的掃描策略上,。不同的掃描策略以及掃描策略對部件的機械性能,、顯微組織和殘余應(yīng)力的影響進行了介紹,。最后，一些優(yōu)化掃描策略的建議以獲得更好的性能也基于以上分析給出了一些優(yōu)化掃描策略的建議以獲得更好的性能,。

增材制造（AM）是個性化形狀特征的復(fù)雜部件制造的一種可以簡單實現(xiàn)的工藝,，可以稱之為新一代的工業(yè)革命。金屬的AM制造的兩個最為常見的工藝是能量直接沉積（directed energy deposition (DED) ）和粉末床打�,。� powder bed fusion (PBF)）。能量直接沉積（DED）又可以分為幾個比較明顯的小類別,，如激光近凈成形（laser engineered net shaping (LENS)）,、激光固體成形（ laser solid forming (LSF)）,、直接光制造（directed light fabrication (DLF)）、直接金屬沉積（direct metal deposition (DMD)）,、電子束沉積（ electron beam AM (EBAM)）和絲材+電弧AM制造技術(shù)（ wire + Arc AM (WAAM)）等等。粉末床3D打印技術(shù)也可以分為電子束粉末床打印技術(shù)（electron powder bed fusion (EPBF)或電子束熔化（electron beam melting (EBM)））,、選擇性激光熔化（selective laser melting (SLM)）,、選擇性激光燒結(jié)（ selective laser sintering (SLS)）和直接金屬燒結(jié)（direct metal laser sintering (DMLS)）。在以上技術(shù)中,，SLM技術(shù)是AM技術(shù)發(fā)展中較為迅猛且令人印象深刻，該技術(shù)具有獲得具有精細顯微組織和較高機械性能的潛在優(yōu)點。SLM和SLS的主要差別在于SLS并沒有完全熔化金屬粉末,，而SLM則是將粉末進行了完全熔化,。SLS綜合了結(jié)構(gòu)材料的保留固態(tài)的特性，這一特性是通過粘結(jié)材料實現(xiàn)的,，但SLM技術(shù)則實現(xiàn)了單一部件的完全致密的效果,，在制造過程中粉末顆粒實現(xiàn)了完全熔化,。SLS和DMLS在概念上都是燒結(jié)工藝,。因此，自DMLS工藝過程中,，金屬粉末加熱到足夠高的溫度來實現(xiàn)熔化以創(chuàng)造出一個實體的部件-但不是完全的熔化,。

▲圖1.  SLM工藝過程中的控制參數(shù)

SLM工藝中的掃描策略是本文的主要內(nèi)容。在SLM工藝中,，在能量束快速移動的過程中溫度分布會迅速的改變,，從而實現(xiàn)巨大的溫度梯度的改變，這是因為高能束是在局部區(qū)域中產(chǎn)生的,，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品中存在較高的殘余應(yīng)力和不均勻的變形,。

工藝參數(shù)，諸如激光功率,、光斑尺寸,、掃描策略等，見圖1所示,，都會對3D打印的產(chǎn)品產(chǎn)生至關(guān)重要的影響,。優(yōu)化和調(diào)節(jié)這些工藝參數(shù)是一種行之有效的辦法來實現(xiàn)理想的致密度、顯微組織和機械性能,。在這些參數(shù)中,，掃描策略，是能量束的形狀特征,，對熱溫度梯度具有非常明顯的影響，最終會影響到部件的質(zhì)量,。許多缺陷,，諸如巨大的殘余應(yīng)力或者球化效應(yīng)等均可以通過調(diào)節(jié)AM工藝過程中的掃描策略來進行控制。

非常有趣的是,，研究人員注意到增材制造中的掃描策略方面的研究在近年來開始增加,，見圖2所示。此外,，期刊Acta Materialia, Additive Manufacturing, Materials Science and Engineering A, Materials和 Materials and Design是最為相關(guān)的且發(fā)表文章最多的期刊,，依據(jù)是相關(guān)論文的引用時間來確定,。此外，文獻中,，引用最多的文獻,，涉及到AM制造的掃描策略。我們通過Scopus數(shù)據(jù)庫,，通過搜索組合的關(guān)鍵詞：“scanning strategy”和 “additive manufacturing,”,，出現(xiàn)在文章的標(biāo)題中、摘要和關(guān)鍵詞為準,。通過這個辦法,，直到2020年發(fā)表的文獻收集到2021年1月3日，我們并沒有考慮2021年發(fā)表的數(shù)據(jù),。

▲圖2. 在近年來發(fā)表的關(guān)于掃描策略方面的論文情況,，在Scopus中的論文數(shù)量隨著年份的變化而變化，當(dāng)掃描的關(guān)鍵詞為組合scanning strategy”和 “additive manufacturing”,，該組合的關(guān)鍵詞出現(xiàn)在標(biāo)題,、摘要和關(guān)鍵詞中

隨著歲月的流逝，每年發(fā)表的關(guān)于掃描策略方面的數(shù)據(jù)也表明越來越多的研究人員都在極力的通過調(diào)節(jié)掃描策略來提高打印部件的產(chǎn)品質(zhì)量,。例如,，Segura-Cardenas等人成功的通過調(diào)節(jié)掃描策略改變了SLM打印的奧氏體不銹鋼的滲透特性。通過研究掃描策略對工藝過程中的溫度,、殘余應(yīng)力和的影響,，Zhang等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 90°的層旋轉(zhuǎn)是非常有必要的來減少殘余應(yīng)力，偏離,。然而,，并沒有綜述是關(guān)于掃描策略對增材制造影響方面的綜述。因此,，我們綜述了當(dāng)前的關(guān)于掃描策略方面的綜述,，聚焦在掃描策略對顯微組織、機械性能和殘余應(yīng)力方面的影響,。此外,，掃描策略在增材制造中的知識鴻溝也在本文中給予了介紹。

掃描策略是能量束（激光束,、電子束、電�,。┑仍诳臻g的移動軌跡,。對于單層的掃描，掃描策略通過不同的掃描方向,、掃描序列,、掃描矢量角度的變化、掃描矢量的長度、掃描時間,、掃描間距等實現(xiàn)考慮到內(nèi)容,、引用時間和發(fā)表日期，我們選擇了幾個代表性的不同的掃描策略進行綜述研究,。

我們將常見的來自文獻中的掃描策略示意的繪制在圖3中,。對于這些掃描策略的具體描述和區(qū)別，激光紅就不在一一描述了,。

▲圖3. 各種不同的掃描策略

我們同時綜述了掃描策略中的掃描間距的影響,。掃描間距的尺寸對相鄰熔道的再熔具有非常直接的影響，從而進一步的影響到晶粒尺寸和形貌,。在AM工藝過程中,，在實踐中掃描策略可以將不同的掃描策略組合起來。例如,，Zrodowski等人提出了一個新穎的掃描策略,，包括一個島狀的掃描策略，緊隨其后的是一個點-隨機的掃描策略,，這一策略的好處是限制了在熱影響區(qū)（heat-affected zone (HAZ)）的晶化和減少了過熱,。Lee等人發(fā)展了一個隨機的光柵掃描，可以是一個光柵和一個隨機的點熔化掃描的組合,。

不同的掃描策略之間最為明顯的差別在于重新熔化的嚴重程度,，這會使得冷卻速率和局部的熱處理變得存在差別。在每一層形成之后進行激光重熔會提高部件的致密度,，減少處理表面的粗糙度和缺陷,。例如，報道的多光束掃描直接導(dǎo)致了重熔過程,，這對降低氣孔,、光滑表面和提高AM制造部件的可靠性非常有幫助。此外,，當(dāng)適應(yīng)旋轉(zhuǎn)掃描策略的時候,，氣孔也會存在更加分散均勻的特點以及他們的尺寸會相對的被減小。

在本文中,，當(dāng)前的關(guān)于SLM掃描策略的研究主要是從三個不同的方面進行的,。此外，在EBM和DMLS中的一些掃描策略和其他的成形工藝也在本綜述中給予了介紹,。圖4為本文所討論的幾個主要的方面,，分別是掃描策略對顯微組織、殘余應(yīng)力和機械性能的影響,。

▲圖4. 本文所討論的掃描策略對制造產(chǎn)品的影響造成的效果的三個主要方面的示意圖

掃描策略對顯微組織的影響
熱溫度梯度,、熱流的方向和冷卻速率對制造部件的位錯密度,、晶粒尺寸、凝固胞尺寸,、晶粒長寬比和織構(gòu)指數(shù)等均具有十分重要的影響,。通常來說，溫度梯度對凝固速率的比值比較低的時候和較高的冷卻速率時對細化晶粒有幫助的,，并有利于減少織構(gòu)的強度,，這是因為此時的凝固模式從柱狀晶向等軸晶進行改變。

不同的研究已經(jīng)實施,，表明掃描策略對打印結(jié)構(gòu)的熱行為,、致密化和顯微組織存在影響。

▲圖5. 改變掃描間距對打印部件的相對密度/氣孔率的影響

▲圖6. a 掃描 “O”; b 掃描 “X”; c 在頂部和橫截面的相對致密度（通過金相分析的手段進行的）; d 采用兩種策略制造的樣品的顯微硬度,；沉積態(tài)樣品的在使用掃描策略時得到的SEM照片,；e “O” 和 f “X”. 馬氏體的分布(紅色d) 和殘余奧氏體（綠色） ，觀察的微打印樣品的橫截面,，使用的掃描策略為 g “O” 和 h 掃描 “X”.

掃描策略對殘余應(yīng)力的影響
在SLM制造工藝過程中,，由于熔池的快速加熱和快速冷卻造成的高溫溫度梯度會誘導(dǎo)殘余應(yīng)力的形成。打印部件的殘余應(yīng)力也同時同材料的顯微組織和結(jié)構(gòu)的形狀相關(guān),。高溫溫度梯度會造成較高的殘余應(yīng)力,，從而造成機械性能，如強度,、韌性和疲勞強度等,。數(shù)值模擬，作為一個有力的工具可以用來預(yù)測最終產(chǎn)品部件的殘余應(yīng)力和變形,，已經(jīng)被許多研究人員用來研究AM制造過程中的殘余應(yīng)力,。由此，掃描策略對殘余應(yīng)力的影響研究的相對比較多,。

圖7.（a）單向掃描策略; (b) 雙向掃描策略; (c)改變掃描路徑; (d) 溫度梯度和熔池在 0.0106 s 的時候自總時間為f 0.0136 s; (e) 沿著線AB和CD自三個不同的路徑沿著基板的變形, 在冷卻到室溫和位移受限得到釋放; (f) 三個不同的掃描路勁在底部表面的垂直變形,；表示垂直掃描的序列: (g) 來回改變; (h) 在間歇策略的矢量長度為1.0mm的時候; (i)在間隙掃描策略的矢量長度為0.1mm的時候. 在基材底部表面的垂直變形: (j)交替; (k) 間隙掃描策略的矢量長度為1.0m; (l) 間隙掃描策略的矢量長度為0.1mm的結(jié)果; (m) 沿著AB和CD線時，三個不同的掃描路勁得到的基板的變形,，冷卻到室溫和位移限制得到釋放

Jia, H., Sun, H., Wang, H. et al. Scanning strategy in selective laser melting (SLM): a review. Int J Adv Manuf Technol 113, 2413–2435 (2021). https://doi.org/10.1007/s00170-021-06810-3