頂刊《Acta Materialia》：揭示粉末擴散對激光粉末增材制造金屬產(chǎn)品質(zhì)量的影響機理

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文進(jìn)行了一系列粉末擴散和熔化實驗，以研究擴散速度在激光粉末增材制造中的作用,。在單層實驗中，高速粉末擴散確實降低了粉末層的包裝密度,。然而,，具有各種高粉末傳播速度的立方樣品的多層LPBF工藝是成功的，樣品的缺陷更少,，因此機械性能更好,，特別是疲勞壽命，這違反直覺,，以前從未報告過,。研究發(fā)現(xiàn)，無論粉末擴散速度如何,，實際粉末層厚度都會因粉末熔化過程中的收縮而逐漸增加,，但總是在10層中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中沉積的致密層厚度等于名義粉末層厚度,，從而達(dá)到相似的熔化條件和質(zhì)量,。這項研究對粉末傳播速度在LPBF中的作用提供了前所未有的見解，并糾正了高速粉末傳播總是不利的不準(zhǔn)確直覺,，這為提高LPBF的生產(chǎn)力和部分質(zhì)量提供了更潛在的解決方案,。

激光粉末床融合（LPBF），也稱為選擇性激光熔化或直接金屬激光熔化,，是目前主要的金屬增材制造技術(shù)之一,，能夠準(zhǔn)確靈活地制造復(fù)雜的近網(wǎng)形金屬零件,。LPBF包括兩個基本程序：粉末擴散和粉末熔化。在粉末擴散過程中,，建筑平臺降低一定距離（即標(biāo)稱粉末層厚度）,，金屬粉末顆粒由刮板/滾筒鋪在基板上。在粉末熔化過程中,，根據(jù)CAD輪廓數(shù)據(jù),，使用高功率密度激光束選擇性地熔化粉末床。重復(fù)這兩個基本程序,，直到零件完全制造出來,。

除了實現(xiàn)良好的機械性能外，高生產(chǎn)率是LPBF技術(shù)遇到的另一個突出挑戰(zhàn),。由于加工效率相對較低,，LPBF主要限于制造高端組件，最常見的是在航空航天和醫(yī)療行業(yè),。粉末熔化過程進(jìn)行了大量研究,，通過調(diào)整加工參數(shù)來提高制造零件的質(zhì)量。在這些處理參數(shù)中,，可以通過提高激光掃描速度,、艙口間距和層厚度來縮短構(gòu)建時間。然而,，不良反應(yīng)通常使零件質(zhì)量下降,。例如，隨著線性激光能量強度的降低,，激光掃描速度和艙口間距的增加可能會過度增加聚變?nèi)毕莸臄?shù)量,，如孔隙、裂紋和球狀,。使用更大層厚度的缺點是體積激光能量強度降低,，這將導(dǎo)致缺乏融合和尺寸精度降低等不良特征。雖然可以通過增加激光功率來保持激光能量強度,，以實現(xiàn)完整的粉末聚變,，但在高激光功率下，金屬蒸汽射流和鑰匙孔的融合缺陷將是另一個問題,。據(jù)我們所知，到目前為止,，這種關(guān)于粉床質(zhì)量與制造零件質(zhì)量之間相關(guān)性很少被調(diào)查和驗證,。

新加坡國立大學(xué)聯(lián)合華中科技大學(xué)進(jìn)行了各種粉末傳播速度的LPBF實驗，以制造單層和立方樣品,。研究了已構(gòu)建樣品的孔隙度,、力學(xué)強度和幾何精度等性能,。為了解釋單層和立方樣品制造質(zhì)量之間的逆直覺差異，進(jìn)一步制作了樓梯樣品,，以揭示逐層LPBF工藝背后的收縮和補償效應(yīng),。為了評估粉末傳播速度變化的熱條件的影響，我們設(shè)計并進(jìn)行了粉末傳播后操作延遲的LPBF實驗,，以確保不同粉末傳播速度的冷卻時間相同,。這項工作旨在為“高速粉末擴散真的不利于LPBF的零件質(zhì)量提高嗎？”的問題提供全面的答案,。相關(guān)研究成果以題“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上,。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 422002865#fig0008Is

1）對于給定的粉末層厚度，較高的粉末擴散速度會導(dǎo)致較低的填料密度和聚變比,，對于前幾層的制造來說,，高擴散速度似乎是不可取的。然而,，由于粉末床融合過程中的收縮,，實際粉末層厚度逐層增加。實際粉末層厚度的這種增加逐漸提高了包裝密度,，從而提高了該層的融合比,，這被稱為補償效應(yīng)。在收縮和補償?shù)木C合作用下,，沉積致密層能夠在大約10層內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),，其厚度等于襯底的降低高度（即名義層厚度），即使采用更高的擴散速度,。因此,，樣品可以以高粉末傳播速度成功制造，機械性能可以稍微好一點,。

2）通過提高擴散速度減少孔隙和裂縫等聚變?nèi)毕�,，主要歸因于層間冷卻時間縮短。然而,，熱條件的具體影響因擴散速度而異,，對顯微結(jié)構(gòu)（如相含量）取決于材料特性。

3）高速粉末擴散的一個主要缺點是降低了建筑方向的尺寸精度,。在本研究中使用的粉末傳播速度和激光能量密度中,，激光掃描速度較大，恒定的激光能量密度可以增加粉末層的聚變比,，從而減少高度偏差,。

圖1 實驗：（a）LPBF設(shè)備；（b1）粉末擴散原理圖和（b2）在基材上鋪設(shè)的粉末床,；（c）單層和立方試樣的制造參數(shù),；以及（d1）樓梯試樣的草圖和（d2）一個制造的樓梯標(biāo)本,。

圖2 Hastelloy-X合金粉末的單層實驗。粉末傳播測試的傳播速度為20-240毫米/秒,，標(biāo)稱層厚度為30微米：（a）相對填料密度ρP和（b）鋪面粉末床的CLSM高度圖,。激光功率P為400瓦，掃描速度u為0.8米/秒的粉末熔化測試：（c）單軌和（d）單層橫截面的光學(xué)顯微照片,。

圖3 用Hastellaoy-X合金粉末制成的立方試樣,，傳播速度V從20到240毫米/秒不等，標(biāo)稱層厚度HN為30微米,，艙口間距為100微米：（a）用激光功率P為100～400 W,，掃描速度u為0.1 ～1.1 m/s的立方試樣；通過阿基米德方法測量（b1）所有立方體和激光功率為（b2）100 W,、（b3）200 W,、（b4）300 W和（b5）400 W的立方體的相對密度ρC。在（b1）-（b5）中,，線性激光能量密度定義為λ = P / u,，并以對數(shù)形式繪制。

圖4 光學(xué)顯微鏡圖像,，由Hastelloy-X合金粉末制成的立方試樣的橫截面,，傳播速度為V為20、120和240 mm/s,，線性能量密度分別為250,、500和3000焦耳/m。S136模具鋼粉和K21鎳基高合金粉末的類似結(jié)果包含在圖中,。補充材料的S1,。

圖5 用不同傳播速度的Hastelloy-X合金粉末制成的拉伸樣品的典型微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，其中激光能量密度為500 J/m（P = 400 W,，u = 0.8 m/s）：（a1）顆粒形態(tài),，（a2）顆粒尺寸分布，以及（a3）EBSD測試樣品的相位含量,；（b）拉伸測試結(jié)果,；以及（c）疲勞測試結(jié)果。相位含量和AVG粒大小從每個樣本部分隨機采摘的五個區(qū)域中平均,。高循環(huán)疲勞測試的測試頻率為20赫茲,，應(yīng)力比為σmin/σmax= 0.1，其中最大應(yīng)力σmax = 480 MPa根據(jù)屈服強度確定,。S136模具鋼樣品的類似測試結(jié)果包含在圖中,。補充材料的S2。

圖6 顯示實際粉末層厚度hA和沉積稠密層厚度hM的演變的示意圖，這些變化是由逐層收縮引起的,，其中HN是標(biāo)稱層厚度。

圖7 根據(jù)等式,，顯示（a）實際粉末層厚度hA和（b）沉積稠密層厚度hM的演變,，根據(jù)等量。（4）,。標(biāo)稱層厚度HN為30微米,，融合比ρF從5%到50%不等。

圖8 顯示LPBF過程中相對填料密度ρP和聚變比ρF之間相關(guān)性的示意圖,。

圖9 Hastelloy-X合金粉末具有不同傳播速度V和實際層厚度hA的單層粉末擴散試驗：（a）CLSM對粉末層的形態(tài),；以及（b）粉末層的相對包裝密度。

圖10 由Hastelloy-X合金粉末制成的樓梯標(biāo)本,，傳播速度不同,，其中標(biāo)稱層厚度為30微米，激光功率P為400 W,，激光掃描速度為0.8 m/s：（a）樓梯樣本的照片,；（b）樓梯樣品的CLSM高度圖示例（V = 20 mm/s）；以及（c1）樓梯設(shè)計的總高度T設(shè)計和樓梯實際總高度Tmelt的演變,，以及（c2）實際層厚度hA,，（c3）從CLSM高度圖計算的每層沉積稠密層厚度hM和（c4）聚比ρF的演變。

圖11 樓梯標(biāo)本的高度偏差D

圖12 用Hastelloy-X合金粉末制成的樓梯的（a）穩(wěn)態(tài)融合比ρF,、S和（b）穩(wěn)態(tài)高度偏差DS的變化,。標(biāo)稱層厚度HN為30μm。采用20,、120和240毫米/秒的傳播速度,。激光掃描速度u為0.2、0.4,、0.6和0.8 m/s,，激光能量密度λ為500 J/m，相應(yīng)的激光功率P分別為100,、200,、300和400 W。

圖13 分別由V = 20 mm/s,、V = 240 mm/s和V = 240 mm/s制成的Hastelloy-X合金立方試樣,，并具有操作延遲：（a）顯微鏡圖像；以及（b）用X射線衍射法評估的殘余應(yīng)力,。在V = 240 mm/s并延遲的情況下,，每層粉末擴散延遲18.33秒，使熔融層的冷卻時間與V = 20 mm/s時相同,。S136模具鋼粉和K21鎳基高合金粉末的類似實驗包含在圖中,。補充材料的S1和S2,。

由于這項研究表明，高速粉末傳播對零件質(zhì)量并不不利,，甚至有益,，因此提高粉末傳播速度應(yīng)被視為提高LPBF生產(chǎn)力甚至零件質(zhì)量的有效可行方法。這使LPBF能夠獲得更多自由和更大的處理參數(shù)空間,，以定制微觀結(jié)構(gòu)和機械性能,。應(yīng)該指出，傳播速度對制成零件的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的具體影響也取決于材料特性,，這需要在未來的工作中進(jìn)一步研究,。