綜述：粉末原料特性對SLM打印零件性能影響的研究（1）

南極熊導(dǎo)讀：金屬增材制造(AM)憑借其設(shè)計(jì)自由和減少復(fù)雜零件生產(chǎn)過程中繁瑣的加工操作的優(yōu)勢，已經(jīng)開始在各個(gè)高價(jià)值行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。粉末床熔化(PBF)技術(shù)的使用,，如選擇性激光熔化(SLM)也提高了材料的使用效率，其中未熔化的顆粒顆粒在每次成型后都是可回收的，這與傳統(tǒng)的減材方法形成了對比,。然而，在不同的工藝階段，粉末特性往往會偏離其預(yù)處理狀態(tài),，這可能會影響原料行為和最終產(chǎn)品質(zhì)量,。

粉末原料的物化特性特別需要注意，包括粒度和形貌,，必須嚴(yán)格控制,，因?yàn)樗鼈儗Ψ勰┝鲃有浴⑻盍闲袨橐约捌渌�相�?yīng)屬性都會產(chǎn)生影響,，這些屬性共同影響了材料沉積和隨后的激光燒結(jié)過程,。盡管目前的研究主要集中在對打印工藝參數(shù)（激光功率、艙口間距,、掃描速度,、掃描策略等）的細(xì)化，以優(yōu)化SLM過程,，但為了進(jìn)一步擴(kuò)大金屬增材技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用,，探索粉末粒度等相關(guān)特性變化對零件成形性能的影響機(jī)制，并解決與粉末變化有關(guān)的各種可靠性和質(zhì)量問題也是至關(guān)重要的,。本文綜述了金屬AM原料的研究進(jìn)展和與選擇性激光熔化工藝相關(guān)的各種粉末特性,，重點(diǎn)討論了粉末粒度測定對原料和最終零件性能的影響。

1 金屬材料增材制造的發(fā)展歷程

如今,，增材制造技術(shù)(AM)在醫(yī)療,、航空航天和汽車行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，用于制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原型和功能部件,，同時(shí)消除了傳統(tǒng)加工技術(shù)不斷面臨的幾何約束,。AM工藝在1980年末首次作為快速原型(RP)解決方案被引入，它基于各種層構(gòu)建和材料整合方法,，以生產(chǎn)用于可視化和原型設(shè)計(jì)目的的快速設(shè)計(jì)到部件模型,。這種多功能技術(shù)提供了廣泛的材料鞏固機(jī)制，包括立體光刻(SLA),，層壓物體制造(LOM),，熔融沉積建模(FDM)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)和3D打印(3DP),，它們共享層制造(LM)的共同工作原理,。

增材制造已經(jīng)誕生二十年有余，技術(shù)進(jìn)步和嚴(yán)格的工業(yè)需求迫使AM方法轉(zhuǎn)向快速制造(RM)和快速模具(RT),。因此,，傳統(tǒng)的RP技術(shù)的制造能力得以擴(kuò)展，生產(chǎn)出材料和機(jī)械性能可與傳統(tǒng)制造相媲美的直接應(yīng)用部件,。目前,，AM技術(shù)專注于開發(fā)實(shí)際的最終用途工業(yè)應(yīng)用,，如注塑工具，牙科種植和航空發(fā)動機(jī)部件,。金屬AM工藝的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),，結(jié)合設(shè)計(jì)靈活性、多材料集成以及輕量化的可能性,，生產(chǎn)高價(jià)值的部件,。

1.1 金屬AM材料及分類

金屬粉末、絲材和薄板材料是金屬AM工藝中常見的原料形式,，這也區(qū)分了商業(yè)化技術(shù)的各自構(gòu)建原理和材料結(jié)合模式(見圖1),。大多數(shù)金屬AM工藝都屬于粉末基系統(tǒng)，包括粉末床融合(PBF),、直接能量沉積(DED)和粘結(jié)劑噴射,，它是利用顆粒粉末作為主要原料實(shí)現(xiàn)零件成形。其中PBF和DED技術(shù)是利用高能源(如激光或電子束)直接熔化粉末材料,，實(shí)現(xiàn)零件的全致密,；而粘結(jié)劑噴射則是將粉末顆粒用粘合劑凝固，然后進(jìn)行燒結(jié)后和二次熔滲恢復(fù)零件密度,�,；�于粉末的方法的材料沉積也不同，PBF和粘結(jié)劑噴射工藝涉及在材料固化之前將原料涂覆在床基板上,，而DED利用同軸噴嘴和光束幾乎同時(shí)進(jìn)行粉末輸送和熔化,。特別是PBF技術(shù)，包括選擇性激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)工藝是直接制造高質(zhì)量金屬零件的首選方法,。相比之下,，SLM在惰性氣體環(huán)境(如Ar或N)下使用Nd: YAG光纖激光器(200 - 400w)，而EBM則需要在真空條件下使用聚焦電子束(60kw),。雖然這兩種技術(shù)都能夠生產(chǎn)出接近凈形狀的金屬部件,，但SLM通常能夠生產(chǎn)出比EBM更高的精度和更好的表面質(zhì)量，但往往以更長的制造時(shí)間和更高的殘余應(yīng)力為代價(jià),。雖然主要原因可能是SLM中使用的粉末粒度相對較細(xì),，但在工藝探索過程中，粒度分布(粒度測定)對粉末行為和由此對零件質(zhì)量造成的影響仍不清楚,。

圖1 金屬增材制造的分類（依據(jù)打印材料）

1.2 選擇性激光熔化研究

眾所周知，金屬增材制造中的SLM技術(shù)和其他PBF工藝對制造部件之前使用的工藝和材料輸入都很敏感,。因此,，許多已發(fā)表的著作都集中在解決主要的關(guān)鍵工藝參數(shù)，包括激光功率,、掃描速度,、層厚和艙口距離,，掃描策略的控制，以產(chǎn)生適合加工不同類型金屬材料的能量強(qiáng)度�,，F(xiàn)有的研究還綜述了SLM生產(chǎn)零件的力學(xué)性能,，不同取向、構(gòu)建布局,、掃描策略導(dǎo)致的零件性能變化,，以及在SLM加工過程中遇到的常見問題和缺陷，這些問題和缺陷與其復(fù)雜的冶金現(xiàn)象密切相關(guān),。為了解決過程的復(fù)雜性并理解SLM中發(fā)生的熱-機(jī)械相互作用,，King等人開發(fā)了許多數(shù)值模擬模擬和有限元方法，并對其進(jìn)行了評述,。對于SLM中使用的材料,，當(dāng)在處理過程中首選使用更細(xì)的粉末時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)具有更好分辨率的部件,。然而,，相對于粉體粒度分布在常規(guī)燒結(jié)研究中的重要性，人們對粉體粒度分布的影響重視較少,。

最近,，研究人員開始花費(fèi)相當(dāng)大的努力來量化金屬AM中使用的原料性能，以驗(yàn)證粉末材料的幾個(gè)關(guān)鍵特征,，AM粉末生產(chǎn)方法以及用于AM原料表征的計(jì)量技術(shù),。然而，根據(jù)作者的知識,，粉末粒度分布(粒度)與其他材料參數(shù)(堆積密度,、流變學(xué)、熱性能等)之間的相互關(guān)系,，以及由此產(chǎn)生的機(jī)械性能和所生產(chǎn)零件的微觀結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系并沒有很好地被理解,。在本文中，將首先概述SLM過程以及其在零件組裝過程中遇到的現(xiàn)有問題,。接下來,，將介紹金屬AM粉目前的進(jìn)展，包括各種粉末屬性及其各自對SLM工藝的影響,。最后,，討論了粉末粒度的變化對粉末和零件性能的影響。

2 選擇性激光熔化

2.1 過程描述

選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)的開發(fā)起源于2000年的快速原型制作（RM/RT）方法,，隨著使用AM技術(shù)生產(chǎn)工業(yè)級金屬部件的需求日益增加,，從以前的原型系統(tǒng)發(fā)展出鞏固能力。與許多AM方法類似,，SLM過程從三維CAD/STL文件中提取設(shè)計(jì)信息,，該文件通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換并切成薄的幾何層,。然后，鏡子引導(dǎo)的激光源掃描惰性氣體生成腔內(nèi)的粉末層,，在沿著z軸以預(yù)先分配的厚度下降生成平臺之前,，選擇性地熔化粉末層表面上的目標(biāo)區(qū)域，以便發(fā)生下一個(gè)沉積,。該工藝要求將初始粉末層熔合到基板上,，并在構(gòu)建平臺上進(jìn)行初始調(diào)平，然后將后續(xù)粉末層按順序堆疊在固化層上,，直到最終部分完成。SLM技術(shù)使用高功率激光直接將粉末顆粒熔化到熔融狀態(tài),，并產(chǎn)生接近致密的零件,，而無需像SLS系統(tǒng)中所看到的那樣進(jìn)行冗長的后處理。然而,，最小應(yīng)力消除熱處理和表面加工操作可能仍然需要優(yōu)化零件的功能,。此外，SLM中的零件優(yōu)化通常需要控制關(guān)鍵工藝參數(shù),，包括：
(1)激光功率
(2)掃描速度
(3)艙口間距
(4)激光生成能量密度E (J/mm3)
以上參數(shù)由公式(1)表示：

這里P（W）代表所使用的激光功率,，v(mm/s)代表掃描速度，h(um)是指艙口掃描軌跡間距,，t(um)指層厚,。表1列出了用于生產(chǎn)普通金屬材料(如不銹鋼316L)的高質(zhì)量部件的能量密度值,。不同的材料類型和機(jī)器所使用的能量密度也會由于材料的熱歷史以及用于產(chǎn)生零件的輻照源的不同而有很大的差異,。同時(shí)，SLM仍然是一種技術(shù)上仍具有挑戰(zhàn)性的固結(jié)技術(shù),，這也限制了其適用范圍較窄,，目前該技術(shù)可加工的常見結(jié)構(gòu)合金也只是包括鋼、鈦,、鋁和鎳這幾種,。

2.2 冶金結(jié)合原理

SLM過程中的材料固結(jié)與傳統(tǒng)的鑄造操作不同，后者的熔化-凝固機(jī)制在很大程度上取決于快速的溫度變化,、重力效應(yīng)和沒有外部壓力的熔體對流,。圖2顯示了典型的SLM過程中發(fā)生的熱機(jī)械反應(yīng)：激光束掃過并撞擊在層層堆積的沉積粉末顆粒,。激光源產(chǎn)生的高熱輻照能量通過體偶聯(lián)和粉末偶聯(lián)手段迅速被暴露的粉末顆粒吸收,，隨后熔化，形成半分段的金屬熔池,。在Marangoni對流下,，熔體池的表面張力梯度根據(jù)局部溫差驅(qū)動熱毛細(xì)運(yùn)動，熔體池中心最靠近束點(diǎn)(較熱的區(qū)域)的液體將被輸送到熔體邊緣(較冷的區(qū)域),。由于熔池有效地從激光束中流動，它表現(xiàn)出負(fù)表面張力梯度,，從而產(chǎn)生淺而均勻分布的液體質(zhì)量,。隨后，在熔池邊界處分離的液體會聚集足夠多的表面能,，然后流回加熱區(qū)域，完成對流循環(huán),。在這種熱毛細(xì)管作用下，熔融金屬進(jìn)一步穿過粉末顆粒層,，加入預(yù)先固結(jié)的底層，并在大約10^6k/s的冷卻速率下迅速凝固,。

圖2 馬蘭戈尼對流

2.3 選擇性激光熔化過程中存在的問題

盡管具有柔性制造的優(yōu)點(diǎn),，但SLM仍然是一個(gè)復(fù)雜的冶金工藝,，受到各種缺陷和與工藝或材料變化相關(guān)的問題的影響,，這些問題嚴(yán)重影響了最終的零件制造質(zhì)量,。

2.3.1 殘余應(yīng)力

與SLS相比,，SLM中使用的更高的輻照能量會產(chǎn)生更大的熱梯度,，后者會增加零件成形過程中的殘余應(yīng)力積累,，這些應(yīng)力會傳播到多個(gè)構(gòu)建層,，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的熱變形——分層或變形,，如部分翹曲(參見圖3)。在SLM中,，快速熔化和凝固循環(huán)會在固化材料中引入大的熱波動，這影響了壓縮和拉伸條件,。SLM過程中殘余應(yīng)力的形成主要有兩個(gè)熱機(jī)制:
(1)溫度梯度機(jī)制(TGM)；
(2)冷卻階段,；

圖3 由于殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致的零件失效

基于TGM技術(shù)，在激光照射下,，熔化層下面的預(yù)凝固材料迅速升溫，很容易膨脹,，但受固化塊冷硬部分的限制。局部輻照區(qū)域熱膨脹的限制可能會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,，導(dǎo)致塑性變形，如果應(yīng)力水平超過材料的允許屈服強(qiáng)度(見圖4),。在冷卻階段，熔化層冷卻并收縮,，收縮作用再次被下層抑制,，導(dǎo)致上部區(qū)域的拉應(yīng)力和底部區(qū)域的壓縮。因此,，在激光間歇作用下的循環(huán)膨脹和收縮都會導(dǎo)致殘余應(yīng)力的積累,，根據(jù)以往的研究，最大的拉應(yīng)力往往出現(xiàn)在最終沉積層的表面,，可能超過母材的屈服點(diǎn),。研究人員還開發(fā)了應(yīng)力預(yù)測工具,、工藝細(xì)化方法和掃描策略，以解決由熱變形引起的零件變形問題,，從而最大限度地減少SLM組件中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

圖4 溫度梯度機(jī)制(左)冷卻階段(右)

2.3.2 球化效應(yīng)

球化效應(yīng)是SLM工藝中常見的缺陷，它會破壞層間結(jié)合,，導(dǎo)致氣孔，降低所生產(chǎn)零件的表面質(zhì)量,。這種不利影響通常來自于使用高掃描速度(低相應(yīng)的能量密度)，它會產(chǎn)生一個(gè)細(xì)長的熔池,，在瑞利不穩(wěn)定性下會破裂以降低表面張力,，同時(shí)形成大量的細(xì)小金屬球(10um),，沿著融化路徑交錯，見圖6,。在激光功率不足的情況下也會產(chǎn)生球化現(xiàn)象,，因?yàn)椴糠秩刍�的粉末會產(chǎn)生尺寸較粗的球(500um)。此外,，在粉末顆粒表面發(fā)現(xiàn)的氧和氫等間隙成分或在構(gòu)建氣氛中循環(huán)的溶解元素會破壞熔池表面張力,，從而導(dǎo)致球化。這種間隙的存在逆轉(zhuǎn)了熔池表面的毛細(xì)管運(yùn)動,，迫使熔融液體在正表面張力梯度下向熔池中心流動,，并對球化產(chǎn)生不利的潤濕條件。根據(jù)先前的研究,，激光重熔(LSR),、加入脫氧雜質(zhì)和提高激光功率聚變已表明可以將污染最小化并調(diào)節(jié)表面張力,。

圖5 球化效應(yīng)

2.3.3 蒸發(fā)現(xiàn)象

在超過能量密度閾值的水平發(fā)生的激光聚變可能導(dǎo)致金屬流體蒸發(fā)增加,，超過材料的熔點(diǎn),，產(chǎn)生有助于等離子體形成的金屬蒸汽,。蒸發(fā)現(xiàn)象通常被稱為“匙孔效應(yīng)”(參見圖6)，深度激光束通過蒸汽空隙穿透粉末床,，形成一個(gè)大的熔化池,，也會造成球化現(xiàn)象,。例如,，在低掃描速度條件下可能會出現(xiàn)能量密度過高的情況,，長時(shí)間的激光照射會導(dǎo)致熔池沸騰,，破壞其穩(wěn)定性,，產(chǎn)生小的金屬球,。強(qiáng)烈的反沖壓力也會引起粉床的剝落,，同時(shí)馬蘭戈尼對流（Marangoni）也會促使熔池進(jìn)一步進(jìn)入粉層,，形成凹陷,。在冷卻過程中,，凹陷側(cè)壁的破裂會留下不規(guī)則的氣孔,，導(dǎo)致層間融合不良,。此外,，熔體飛濺和低粘度熔體的噴射也可能在快速膨脹和反沖力的作用下產(chǎn)生,，從而降低零件表面質(zhì)量和破壞涂布器的性能,。

圖6 熔融匙孔模型

3 增材制造用金屬粉末

許多高價(jià)值行業(yè)正越來越多地尋求將金屬AM系統(tǒng)納入他們的生產(chǎn)線，以便探索生產(chǎn)高價(jià)值和復(fù)雜形狀金屬部件的優(yōu)勢和能力,。原料市場也將隨著金屬AM系統(tǒng)(包括SLM和EBM)的普及而呈指數(shù)增長,，其中金屬粉末是零件生產(chǎn)的主要材料資源。盡管與傳統(tǒng)的粉末加工方法如粉末冶金(PM)和金屬注射成型(MIM)相比,，目前基于金屬的AM粉末市場仍然相對較小,，但日益增長的市場趨勢將為原料生產(chǎn)商創(chuàng)造更多的機(jī)會,，從而更加重視開發(fā)用于金屬AM應(yīng)用所需的精制優(yōu)質(zhì)粉末,。

3.1 粉末制備技術(shù)

盡管與PM和MIM相比,，AM工藝需要球形粉末來實(shí)現(xiàn)高的表觀密度和平滑的流變特性,，但原料生產(chǎn)方法相對類似,，這在金屬粉末成形工藝中是開源化的�,，F(xiàn)有的粉末霧化技術(shù)包括氣霧化,、水霧化、等離子霧化,、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化,、離心霧化以及氫化脫氫工藝來制備可用的金屬原料。根據(jù)各自的加工方法和所使用的大氣條件,，在不同的霧化技術(shù)范圍內(nèi)，所生產(chǎn)的粉末的性能從粉末大小,、形態(tài),、粒度分布到化學(xué)成分不等,。在應(yīng)用方面，氣體霧化(GA)粉末通常是SLM加工的首選,，因?yàn)榕c水霧化(WA)顆粒相比,，它們表現(xiàn)出更高的球形度，這是由于在霧化過程中熱容量較低和淬火速度較慢(見圖7),。盡管WA粉末的形態(tài)不規(guī)則,，表觀密度較低,，但在SLM中仍可通過工藝微調(diào)來制造完整的零件，這一點(diǎn)在第4.1節(jié)進(jìn)一步討論,。然而,，WA級的高氧化物含量仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題,，其中高活性金屬粉末，如鈦合金,，很少通用這種生產(chǎn),。相反,，反應(yīng)性和特殊粉末材料有時(shí)是通過等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)、等離子體霧化(PA)和等離子體球化技術(shù)來生產(chǎn)的,，這些技術(shù)保證了高球形和純化的粉末,。據(jù)報(bào)道,，與GA級相比,，等離子體加工的原料在尺寸分布上表現(xiàn)出更高的球形度和均勻性,。因此,，等離子體制備粉末的應(yīng)用主要見于對SLM Ti6Al4V的研究,。雖然等離子加工高品級粉末的堆積密度和流動行為更有利于AM加工,，但也有報(bào)道表示,，高品級粉末生產(chǎn)的零件性能與GA粉末沒有明顯差異。這可能會鼓勵消費(fèi)者繼續(xù)使用普通等級,，因?yàn)榈入x子路線制備的粉末相對更貴,。同時(shí)，研究和行業(yè)參與者也在研究通過WA工藝來提高球形顆粒收率的各種手段,，以及熱噴涂方法,，尋求具有成本效益的原料生產(chǎn)解決方案，降低AM粉的成本,。

圖7 氣體霧化（左）vs水霧化粉末（右）

3.2 商業(yè)化粉末制備廠商

現(xiàn)有AM粉末制造商主要由機(jī)械制造商(OEM),、OEM批準(zhǔn)的第三方供應(yīng)商和普通粉末制造商組成。機(jī)器原始設(shè)備制造商通常將用戶限制在定制的專有原料范圍內(nèi),，而粉末改性或廣泛的原料研發(fā)空間有限,。或者,，粉末材料可以從原始設(shè)備制造商認(rèn)證的外部供應(yīng)商購買,，但可能仍然相對昂貴。然而,，一個(gè)更節(jié)省成本的途徑是直接從一般粉末制造商那里采購,，但這通常需要在實(shí)際SLM生產(chǎn)開始前進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)步驟，在此過程中也可能出現(xiàn)材料不一致的情況,。此外,，專有原料有指定的粉末屬性(粒度，粒度分布,，化學(xué)成分等),，通常用于定制過程和指定的材料應(yīng)用場景。由于粉末的制備方法不同,，使用非OEM提供的原料可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能比不上專有級的最佳,。有案例表明，盡管在同一組參數(shù)下進(jìn)行處理,，特別是在低激光功率和慢掃描速度條件下,，OEM和非專利粉末(94-96%)的部分致密化行為存在差異。此外,，研究原料變化對SLM加工的影響的困難是由于缺乏公開的粉末表征細(xì)節(jié),，這些細(xì)節(jié)通常是由于競爭原因而未披露的,。由于粉末實(shí)驗(yàn)不足,，很難在所有AM材料中建立通用的粉末要求，以驗(yàn)證和評估制造環(huán)境,。

3.3 粉末原料方面現(xiàn)有的問題,、缺口和需求

近年來，許多戰(zhàn)略努力主要集中在通過工藝改進(jìn)來優(yōu)化零件組裝,，如提高激光功率,、降低掃描速度、艙口間距和層厚,，這些都得到了很好的證明,。然而,，隨著金屬AM的快速發(fā)展，研究各種粉末特性的影響并建立與這些工藝窗口的相關(guān)性是十分必要的,。在SLM工藝的不同階段,，由于環(huán)境、機(jī)械和熱干擾,，粉末特性經(jīng)常受到不可預(yù)見的變化,，這些變化影響到零件的致密化、機(jī)械性能,、表面質(zhì)量和微觀組織,。為了確保重復(fù)加工過程中的質(zhì)量和一致性，大量的研究工作都集中在開發(fā)合適的測量工具和表征方法上,，這些工具和表征方法用于確定和量化單個(gè)粉末的性質(zhì),。由于需要通過原料再利用來提高材料效率，粉末回收技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注,，以盡量減少污染和其他粉末的一致性問題,，這些問題會影響化學(xué)反應(yīng)性金屬合金的機(jī)械性能。許多物理,、數(shù)值和熱學(xué)模型也被開發(fā)出來,，以通過模擬分析打破SLM過程中激光與粉末相互作用的復(fù)雜性，但需要額外考慮從加工前,、加工中到加工后的粉末轉(zhuǎn)化過程,，以驗(yàn)證原料變化和最終零件性能之間的關(guān)系。

因此,，回顧現(xiàn)有文獻(xiàn)中粉末特性變化的影響是很重要的,，這有助于確定粉末材料優(yōu)化的領(lǐng)域，并支持當(dāng)前的熱機(jī)械模擬模型,，以完善過程預(yù)測能力,。