激光粉末床聚變：技術(shù),、材料,、性能和缺陷以及數(shù)值模擬的最新綜述（4）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：這篇綜述主要解釋了LPBF工藝的基本原理,、幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)參數(shù)的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)展,、原料材料,、生產(chǎn)性能/缺陷,，以及數(shù)值模擬的見解,，以虛擬地理解工藝行為。本文為第三部分,。

5.1.1.工藝參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

Cherry等人報(bào)告,，LPBF工藝參數(shù)的影響顯著影響316L不銹鋼零件的微觀結(jié)構(gòu)和物理性能。材料硬度在125 J/mm3的225 HV達(dá)到峰值,，并與孔隙率成比例,，較高的孔隙率導(dǎo)致較低的材料硬度。從低激光能量密度下的小球特征到高激光能量密度時(shí)的小球和大小球特征的混合,，發(fā)現(xiàn)了幾種導(dǎo)致凸面圖案的顆粒聚結(jié)類型,。總孔隙率受激光能量密度的影響,。Song等人研究了工藝參數(shù)對(duì)選擇性激光熔化Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響,。以110W的激光功率和0.4m/s的掃描速度進(jìn)行選擇性激光熔化，對(duì)應(yīng)于連續(xù)熔化機(jī)制,，可以產(chǎn)生具有高顯微硬度和光滑表面的優(yōu)異Ti6Al4V零件,。密度非常大，可以與大塊Ti6Al4V合金密度相比較,。Bang等人研究了激光能量密度對(duì)采用LPBF技術(shù)制造的不銹鋼316L（SUS316L）零件的微觀結(jié)構(gòu),、機(jī)械性能和化學(xué)成分的影響。隨著能量密度的增加,，拉伸特性隨著晶粒膨脹而下降,，加速溶解提高了輕元素濃度。

不同工藝參數(shù)產(chǎn)生的單軌（頂部）和橫截面Ti6Al4V零件（底部）的OM顯微照片：（a）120 W,，0.2 m/s,，（b）110 W，0 0.4 m/s,，和（c）110 W,、1.2 m/s。

隨著輕元素濃度的增加，硬度增加,，破壞行為從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选Ｓ捎谑褂肔PBF制造鋁合金的困難,，許多鋁合金在機(jī)械特性和微觀結(jié)構(gòu)方面尚未被廣泛研究,。研究了激光功率、陰影間距和掃描速度對(duì)LPBF生產(chǎn)的鋁2024合金（AA2024）的機(jī)械性能和顯微組織性能的影響,。結(jié)果表明,，幾乎無(wú)裂紋的結(jié)構(gòu)具有高相對(duì)密度（99.9%）和阿基米德密度（99.7%）。

5.1.2.熱處理對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

生產(chǎn)后熱處理方法在細(xì)化零件微觀結(jié)構(gòu)和改善其機(jī)械性能方面非常重要,。在鈦合金中,，熱處理工藝、退火或熱等靜壓處理（HIP）,、熱機(jī)械加工的主要目的是將α′馬氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β晶粒,。退火和HIP是最常用的工藝，因?yàn)樗鼈冊(cè)诎l(fā)出完全致密的零件時(shí)對(duì)齊,。已經(jīng)指出,，這兩種工藝在鈦合金的情況下實(shí)現(xiàn)了其目標(biāo)�,？紤]到此類熱處理工藝,，零件的最終微觀結(jié)構(gòu)受溫度、熱循環(huán)和停留時(shí)間之間的關(guān)系影響,。

5.1.1.1.溫度的影響

LPBF生產(chǎn)的零件的微觀結(jié)構(gòu)在決定其機(jī)械性能方面具有重要意義,。微觀結(jié)構(gòu)由不同層之間的界面能、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)因素（如局部應(yīng)力和潤(rùn)濕性）定義,。溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)的形成有相當(dāng)大的影響,。已經(jīng)進(jìn)行了各種研究以了解溫度對(duì)合金特性的影響。對(duì)于鈦合金,，有人認(rèn)為,，在非常高的溫度下退火得到的結(jié)果具有優(yōu)異的延展性和斷裂韌性。Wu等人研究了溫度對(duì)Ti64的影響,。溫度范圍設(shè)定為300-1020℃,。在600℃以下，建筑結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化,。在750℃至990℃之間,，針狀結(jié)構(gòu)開始退化。超過(guò)1000℃時(shí),，原始β晶粒完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sβ晶粒,。類似地，在另一個(gè)使用Ti64的實(shí)驗(yàn)中，隨著溫度的升高,，β晶粒的體積增加（圖23）,。在熱處理之前，很容易觀察到先前的β晶粒,，但在熱處理之后,，先前的β被轉(zhuǎn)化并且不再可見。這顯示了晶粒結(jié)構(gòu)的廣泛增長(zhǎng),。在另一項(xiàng)研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,。

圖23 熱處理時(shí)LPBF構(gòu)建的Ti64的微觀結(jié)構(gòu)。（a）（b）在亞透熱處理后,，以及（c）和（d）在超透熱處理之后,。

據(jù)指出，馬氏體分解是平衡強(qiáng)度和延展性的因素,。隨著溫度的升高,，延性提高，而屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低,。但在Al-Cu-Mg的情況下,，隨著熱處理溫度的升高，微觀結(jié)構(gòu)變得更粗糙,。在這種情況下,，極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率似乎在溫度下增長(zhǎng),。如果溫度進(jìn)一步升高,，則拉伸強(qiáng)度降低。這是因?yàn)轭w粒的分布和尺寸不再有助于強(qiáng)化晶粒,，因?yàn)榇慊鸷蟮娘柡投容^低,。

5.1.1.2.傳導(dǎo)和鎖孔狀態(tài)

高功率受控激光束用于LPBF增材金屬制造。熔池的深度通常由其下方固體物質(zhì)中的熱傳導(dǎo)控制,。然而,，在某些情況下，熔化機(jī)制可以從傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶】啄Ｊ健奔す馊刍�,。在此階段,，金屬的蒸發(fā)控制熔池的液位。在小孔模式激光熔化中的熔池深度可以比在傳導(dǎo)模式中看到的熔池深得多,。此外,，金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽腔塌陷可能會(huì)在激光束后留下一系列空隙。

對(duì)于LPBF,，發(fā)現(xiàn)主要的工藝制度,，如小孔和傳導(dǎo)模式熔化,，是線能量和強(qiáng)度的函數(shù)�,？v橫比直接取決于這兩個(gè)復(fù)合變量,；因此，所得熔池的形狀隨時(shí)間變化,。Gargalis等人使用直接微量熱法研究了LPBS中純銅的加工行為,。他們報(bào)告說(shuō)，在LPBF環(huán)境中與激光束相互作用時(shí),，小孔熔化制度和加熱,、熔化,、沸騰和蒸汽形成行為的演變對(duì)于可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的銅沉積至關(guān)重要,。

圖24描繪了在540W的最大激光功率下隨著掃描速度的增加裸銅表面的熔池演變。白色箭頭表示氧化物,。在對(duì)樣品進(jìn)行橫截面和拋光后,，發(fā)現(xiàn)了氧化物顆粒，這表明在金相制備過(guò)程中形成了氧化物,。熔池的形成被證明是高度不穩(wěn)定的,，當(dāng)處于鎖孔狀態(tài)時(shí)，吸收率值的顯著波動(dòng)觸發(fā)了爆炸行為,。Chen等人報(bào)告說(shuō),，使用非原位樣品表征和計(jì)算熱流體動(dòng)力學(xué)（CtFD）建模來(lái)探索作為傳導(dǎo)、過(guò)渡和小孔區(qū)域中預(yù)熱溫度的函數(shù)的熔池形狀修改,，以及圖25,、26、27和28所示的每個(gè)區(qū)域中的潛在機(jī)制,。在500°C下,，實(shí)驗(yàn)熔池深度在傳導(dǎo)區(qū)增加49%，在過(guò)渡區(qū)增加34%,，在小孔區(qū)增加33%,。相反，每個(gè)區(qū)域中熔池寬度的變化并不都呈增加趨勢(shì),，而是取決于熔池區(qū)域,。根據(jù)經(jīng)證實(shí)的CtFD模擬，較高的預(yù)熱溫度增加了小孔區(qū)域的蒸發(fā)質(zhì)量,、反沖壓力和激光鉆孔效應(yīng),，導(dǎo)致更深的熔池。由于較高的流速和強(qiáng)烈的反沖壓力加速了反向流動(dòng),，模擬表明,，提高熔體軌跡溫度顯著延長(zhǎng)了熔體軌跡長(zhǎng)度,。

圖24 背散射模式下的SEM圖像，顯示了隨著掃描速度的增加,，在裸銅襯底從傳導(dǎo)到鍵孔的過(guò)渡區(qū)域中,，540W激光功率的深熔池的演變；從圖a）到e）,，掃描速度以100mm/s的間隔增加,，白色虛線顯示熔池邊界；注意最后一張顯微照片中的刻度大小差異,。

圖25 導(dǎo)電狀態(tài)下熔池形態(tài)隨預(yù)熱溫度的變化,。


圖26 傳導(dǎo)狀態(tài)下熔池尺寸與預(yù)熱溫度的關(guān)系（P=250 W，V=1.5 m/s）：（a）深度,、（b）寬度,、（c）縱橫比，以及（d）100°c,、（e）300°c和（f）500°c預(yù)熱溫度下實(shí)驗(yàn)和模擬熔池的比較,。

圖27 鎖孔狀態(tài)下熔池形態(tài)隨預(yù)熱溫度的變化。


圖28 鎖孔狀態(tài)下熔池尺寸與預(yù)熱溫度的關(guān)系（P=250W,，V=0.5m/s）：（a）深度,、（b）寬度、（c）縱橫比以及（d）100°c,、（e）300°c和（f）500°c預(yù)熱溫度下實(shí)驗(yàn)和模擬熔池的比較,。

5.1.1.3.停留時(shí)間

停留時(shí)間只是熱處理過(guò)程中樣品保持在最高溫度的時(shí)間段。Plaza等人研究了熱處理對(duì)Ti64微觀結(jié)構(gòu)的影響,。對(duì)具有不同停留時(shí)間的若干樣品進(jìn)行熱處理（退火）,；爐將其冷卻至760℃，然后對(duì)其進(jìn)行空氣冷卻,。通過(guò)比較在相同溫度下但不同停留時(shí)間下退火的樣品,，發(fā)現(xiàn)停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越細(xì),，延展性越高,。Vracken等人也證實(shí)了類似的結(jié)果。圖29顯示了兩個(gè)在940℃下熱處理20小時(shí)的樣品,。圖像顯示了α晶粒的有限生長(zhǎng),，但它逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，如箭頭所示（圖29 b）,。在AlSi12的另一種情況下,，與傳統(tǒng)方法（如鑄造）相比，更長(zhǎng)的停留時(shí)間為L(zhǎng)PBF制造的零件提供了更好的結(jié)果,。

圖29 940℃下（a）2小時(shí)和（b）20小時(shí)熱處理鈦合金的微觀結(jié)構(gòu),。

5.1.1.3.冷卻速率

LPBF非常適用于用金屬粉末制造零件,，熱循環(huán)，特別是冷卻速率,，在控制微觀結(jié)構(gòu)行為方面起著巨大作用,。冷卻速率決定了金屬零件中的晶粒尺寸偏析。但更快的冷卻速率會(huì)限制該過(guò)程中的特定物理,，從而導(dǎo)致熱力學(xué)不穩(wěn)定相,。由于微觀結(jié)構(gòu)由冷卻速率監(jiān)控，我們可以說(shuō)零件的性能也由其監(jiān)控,。因此,，必須在參數(shù)和冷卻速率之間建立牢固的關(guān)系，以開發(fā)具有良好性能的特征,。據(jù)指出,，僅研究能量輸入不足以理解冷卻速率對(duì)金屬粉末的影響。體積能量密度不能預(yù)測(cè)熔池的準(zhǔn)確行為,。

5.2.機(jī)械性能

5.2.1.抗拉強(qiáng)度

LPBF工藝制造的零件與傳統(tǒng)方法（如鑄造）的屈服強(qiáng)度比較表明,，LPBF制造的零件具有優(yōu)異的強(qiáng)度,。其原因在于,，當(dāng)少量熔融材料快速凝固時(shí)，零件是如何在LPBF工藝中制造的,。由于該工藝,，在零件中可以看到更細(xì)的晶粒和微觀結(jié)構(gòu)。在合金中,，在LPBF期間,，合金元素的偏析可以忽略不計(jì)，導(dǎo)致更均勻的成分和更高的強(qiáng)度,。在Wei等人對(duì)LPBF制造的AZ91D進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,，注意到激光能量輸入顯著影響樣品的拉伸性能。他們發(fā)現(xiàn),，隨著激光能量輸入的減少,，制造零件的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度也會(huì)大幅下降。這種行為的原因是由于激光能量供應(yīng)不足導(dǎo)致的低密度部件,。

由于LPBF制造機(jī)制依賴于逐層添加技術(shù),，因此層的構(gòu)建方向在決定零件的拉伸強(qiáng)度方面也起著重要作用。在平行于拉伸方向進(jìn)行激光掃描的情況下,，觀察到的拉伸強(qiáng)度高于在垂直于拉伸長(zhǎng)度的方向上進(jìn)行掃描的部分,。觀察到，當(dāng)制造和橫向掃描Br-Ni的LPBF試樣時(shí),，其拉伸強(qiáng)度高于縱向掃描的試樣,。原因是短矢量掃描的結(jié)果更好,。短掃描矢量比長(zhǎng)掃描具有更大的吸收凈能量的能力。影響拉伸強(qiáng)度的另一個(gè)因素是層厚度,。Agarwala等人發(fā)現(xiàn),，對(duì)于LPBF制造的Br-Ni零件，當(dāng)層厚度減小時(shí),，拉伸強(qiáng)度迅速上升,。結(jié)果表明，當(dāng)層厚從500μm變化到200μm時(shí),，拉伸強(qiáng)度從35MPa增加到約60MPa,。

激光沉積Ti-6Al-4V試樣的示意圖，（a）X方向上的沉積表面（水平取向）,，（b）Y方向上的沉淀表面（橫向取向）,，以及（c）Z方向上的沉積物表面（垂直取向）。

5.2.2.硬度和耐磨性

該實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果是,，如Buchbinder等人所建議的,，高掃描速度和激光功率不會(huì)影響零件的硬度，其中掃描速度的增加會(huì)增加硬度,。眾所周知,，殘余應(yīng)力是缺陷，因?yàn)樗鼈兘档兔芏炔⒁l(fā)裂紋和孔隙,。但Mercelis等人和Gu等人認(rèn)為,，如果能夠管理密度和裂紋，并且如果殘余應(yīng)力保持在合理的水平,，則可以提高零件的硬度,。LPBF制造的零件具有良好硬度特性的另一個(gè)原因是零件在加工過(guò)程中經(jīng)歷的快速凝固。這有助于晶粒細(xì)化和形成更好的微觀結(jié)構(gòu),。因此,，COF（摩擦系數(shù)）也降低，提高了零件的耐磨性,。

Gu等人試驗(yàn)了掃描速度對(duì)COF和耐磨性的影響,。當(dāng)使用100mm/s的掃描速度從CP-Ti制造零件時(shí)，COF達(dá)到1.41的最大水平,，并增加了磨損率,。表面上的一些松散碎屑和凹槽表明變形和磨損（圖30a）。當(dāng)使用200mm/s的掃描速度時(shí),，COF降低,，磨損率也降低。現(xiàn)在存在較淺的凹槽,，沒(méi)有任何松散碎屑的跡象（圖30b）,。當(dāng)COF和磨損率達(dá)到最小值時(shí),，實(shí)現(xiàn)了300mm/s的最佳掃描速度。當(dāng)使用400mm/s的掃描速度時(shí),，形成了塑料粘合層,，從而降低了磨損率（圖30c）。Jain等人也證明了這一點(diǎn),。當(dāng)使用大于400mm/s的掃描速度時(shí),，觀察到更多的剝落和分層（圖30d）。這再次增加了COF和磨損率,。Gu等人得出結(jié)論,，由于低掃描速度下的強(qiáng)烈致密化和缺陷，實(shí)現(xiàn)了較低的硬度值,。隨著更好微觀結(jié)構(gòu)的形成,，硬度增加，但在較高掃描速度下仍然容易受到微層間孔的影響,。由于液體粘度低,、液體壽命長(zhǎng)以及由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力增強(qiáng)，低掃描速度和伴隨的高激光能量密度的組合導(dǎo)致了微觀球化現(xiàn)象和層間熱微裂紋的產(chǎn)生,。另一方面,，由于Marangoni對(duì)流導(dǎo)致的液體不穩(wěn)定性增加，他們使用了快速掃描速度,，導(dǎo)致液體凝固前沿混亂,，并產(chǎn)生顯著的球化,。

圖30（A）900J/m和100mm/s,、（B）450J/m與200mm/s、（C）300J/m,、300mm/s和（D）225J/m及400mm/s下LPBF制造的鈦零件表面的SEM,。

研究表明，激光能量密度可以顯著決定加工零件的硬度,。硬度值與能量密度間接成比例,。由于較高的冷卻速度，較低的能量密度導(dǎo)致較小的晶粒形成,，硬度也受到晶粒尺寸的影響,。Chelbus等人在Ti-6Al-7Nb上研究了LPBF中內(nèi)置部件的方向?qū)τ捕鹊挠绊憽Ｋ麄冏C明,，面積和搭建平臺(tái)越大,，試樣高度越小，硬度越高,。這是由于特定微結(jié)構(gòu)的形成,�,？偟膩�(lái)說(shuō)，這表明零件的硬度值受熱歷史,、微觀結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等因素的強(qiáng)烈影響,。

5.2.3.延展性

延展性通常以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)并入部件中。通常,，在LPBF工藝中,，在延展性和強(qiáng)度之間進(jìn)行權(quán)衡。因此,，所有用于提高所生產(chǎn)零件強(qiáng)度的優(yōu)化參數(shù)將最終降低該零件的延展性,。導(dǎo)致強(qiáng)度提高并同時(shí)降低延展性的一些主要措施是快速凝固、陡峭的溫度梯度和小體積區(qū)域的更快冷卻速率,。工藝參數(shù)對(duì)提高零件的延展性有很大影響,。尺寸顆粒的相對(duì)密度和分布也影響延展性。給出低密度的參數(shù)導(dǎo)致低韌性零件,。

5.2.4.疲勞

LPBF零件暴露于重復(fù)循環(huán)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件疲勞,，這是最常見的故障之一。LPBFed零件的疲勞在很大程度上取決于是否存在任何氣孔或裂紋,。由于應(yīng)力集中和承載能力降低,，層間孔隙的存在導(dǎo)致動(dòng)態(tài)強(qiáng)度降低。Wang等人對(duì)LPBFed FeNiCu合金進(jìn)行了研究,，以了解最終導(dǎo)致疲勞失效的裂紋萌生模式及其擴(kuò)展,。他們發(fā)現(xiàn)，層間或表面上含有孔隙的區(qū)域是裂紋萌生點(diǎn),。研究還得出結(jié)論,，孔隙率是影響疲勞性能最顯著的因素。為了改善LPBF零件的疲勞性能,，有必要消除工藝缺陷,，如氣孔、氧化物形成和其他表面缺陷,。較大尺寸,、數(shù)量巨大且位于表面附近的孔隙，疲勞強(qiáng)度極低,。氧化物和部分熔化或未熔化的粉末顆粒也降低了疲勞強(qiáng)度,。孔隙率和殘余應(yīng)力的存在使得理解后表面加工對(duì)零件的影響具有挑戰(zhàn)性,。然而,，有人指出，機(jī)械加工有助于提高疲勞強(qiáng)度。

Brandl等人研究了LPBF處理的AlSi10Mg,，以了解溫度,、熱處理、構(gòu)建方向和疲勞性能的響應(yīng),。觀察到粉末的熱處理和加熱導(dǎo)致更好的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展和更少的裂紋萌生位置,。這增加了延展性和抗疲勞性。然而,，建筑方向?qū)ζ谛阅艿挠绊懽钚�,。粉末床的加熱降低了冷卻速率并導(dǎo)致更少的缺陷，從而導(dǎo)致更好的疲勞性能,。許多研究已經(jīng)證實(shí),，表面上或表面下的孔隙是裂紋萌生的主要原因。這是由于局部應(yīng)力產(chǎn)生和表面形成的不連續(xù)性,。圖31和32顯示了試樣的裂紋萌生位置和強(qiáng)制斷裂區(qū)域的SEM圖像,。圖32（b）顯示了未經(jīng)過(guò)任何硬化過(guò)程且具有韌性斷裂的樣品。還指出,，峰值硬化樣品具有與任何粉末床溫度和構(gòu)建方向無(wú)關(guān)的斷裂行為周期,。

圖31 LPBFed AlSi10Mg的表面，粉末床溫度為300℃,，構(gòu)建方向?yàn)?0,，峰值硬化，顯示（A）裂紋萌生位置和（B）強(qiáng)制斷裂區(qū)域,。


圖32 LPBFed AlSi10Mg的表面,，粉末床溫度為300℃，建造方向?yàn)?0,，竣工顯示（A）裂紋萌生位置和（B）強(qiáng)制斷裂區(qū)域,。

在LPBF工藝中，工藝參數(shù)的變化可以產(chǎn)生一組全新的特性,，如晶粒尺寸和形狀,、相組成和微觀結(jié)構(gòu)，以生產(chǎn)定制零件,。經(jīng)歷LPBF工藝的零件的熱歷史在很大程度上決定了微觀結(jié)構(gòu)特征。熱循環(huán)可包括高加熱和冷卻速率,、溫度梯度,、溫度上升等。當(dāng)激光器和材料之間的相互作用時(shí)間增加或使用非常高的激光能量密度時(shí),，形成粗糙的微結(jié)構(gòu),。結(jié)果是，它產(chǎn)生過(guò)熱的熔池和升高的表面溫度,。這也會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的凝固時(shí)間,，并降低溫度梯度和冷卻速率,。當(dāng)調(diào)整參數(shù)以提供足夠的激光能量密度時(shí)，過(guò)熱熔池的產(chǎn)生受到限制,，溫度梯度產(chǎn)生更快的冷卻速率,。在這種工藝中制造出更精細(xì)的晶粒。但這些參數(shù)不傾向于更高的致密化,。生產(chǎn)后熱處理方法在細(xì)化零件微觀結(jié)構(gòu)和改善其機(jī)械性能方面非常重要,。

與傳統(tǒng)方法制造的零件相比，LPBFed零件顯示出優(yōu)異的屈服強(qiáng)度,。這是由于基本的LPBF工藝方法,，其中一次熔化非常少量的粉末，暴露于快速凝固,，并在整個(gè)過(guò)程中提供更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu),。許多研究人員發(fā)現(xiàn)掃描間隔對(duì)樣品硬度沒(méi)有影響。LPBF零件具有良好的硬度,，因?yàn)樵摿慵?jīng)歷快速凝固,，從而產(chǎn)生精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。此外,，延性通常是以拉伸強(qiáng)度為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的,。LPBF零件暴露于重復(fù)循環(huán)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件疲勞，這是最常見的故障之一,。零件的疲勞壽命在很大程度上取決于不可避免缺陷的存在,，如裂紋和氣孔。

6.LPBF工藝缺陷

所有AM工藝,，包括LPBF工藝,，都是現(xiàn)代制造方式。這些方法有很多優(yōu)點(diǎn),，但也有挫折,。LPBF也不例外。LPBF工藝的輸出結(jié)果取決于各種相關(guān)參數(shù),，這使得優(yōu)化工藝具有挑戰(zhàn)性,，并使零件易于出現(xiàn)缺陷。此外,，還需要做大量工作來(lái)克服所有缺陷,，并通過(guò)LPBF工藝生產(chǎn)無(wú)缺陷產(chǎn)品。

6.1.成球

由于粉末床中存在松散粉末,，LPBF制造零件表面的典型微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了成球,。當(dāng)液態(tài)熔融相材料被分解成微型球體以最小化表面能時(shí)，這只是小顆粒的累積。另一個(gè)定義是,，當(dāng)液態(tài)熔融金屬與基材或基底金屬接觸不良時(shí),，根據(jù)最小表面能原理，由于表面張力,，液體被分解成小球,。這個(gè)過(guò)程只不過(guò)是一個(gè)稱為balling的缺陷。當(dāng)提供低能量密度,、低功率,、大層厚度和高掃描速度時(shí)，這些球形球體聚集在一起形成稱為成球區(qū)域的大熔池,。成球區(qū)域影響表面光潔度并使其變差,。它還會(huì)在加工零件中產(chǎn)生許多氣孔，甚至可能損壞輥?zhàn)�,，影響下一層的分布�?br />
通常,，成球現(xiàn)象是由于熔融金屬的飛濺和熔融金屬的潤(rùn)濕性差。文獻(xiàn)還指出,，熔池有兩個(gè)不同的部分,。上部為熔融液相中的粉末，下部為熔融基體或基材,�,？諝�-液體或上部的氣液界面促進(jìn)了球體的形成，下部試圖限制上部的傾向（圖33,，圖34）,。如果上部的數(shù)量在熔池中的熔融基材部分越來(lái)越少，則可以消除上部導(dǎo)致成球的傾向,。因此,，提供高能量密度可在熔池中產(chǎn)生更多熔融基材，并可減少成球,。此外,，高能量密度可導(dǎo)致高溫，降低液相粘度,。這將增加液相的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性,，進(jìn)一步減少成球。但是,，如果能量密度太高,，則會(huì)導(dǎo)致變形和成球。這是因?yàn)楫a(chǎn)生了殘余應(yīng)力,。過(guò)量的能量也會(huì)導(dǎo)致金屬的蒸發(fā)。由于能量過(guò)大，氣相突然引入,，在熔池中產(chǎn)生非常大的反沖壓力,，導(dǎo)致金屬以射流形式逸出。這種射流被分解成微小的液滴,，從而導(dǎo)致成球,。此外，熔池附近的未熔化粉末飛濺開,。

圖33 熔融基質(zhì)較少而熔融基質(zhì)金屬較多的成球現(xiàn)象,。

圖34 LPBF中的液滴飛濺導(dǎo)致成球。

在圖35中可以看到大量微米級(jí)的球形球體和飛濺物,。它顯示了在LPBF期間Mg-9%Al粉末出現(xiàn)的成球缺陷,。當(dāng)使用非常高的掃描速度時(shí)，激光能量密度突然下降,，導(dǎo)致不穩(wěn)定的熔池形成,。這種不穩(wěn)定的熔池具有毛細(xì)管不穩(wěn)定性，這降低了小尺度下熔融相的表面能,，并減少了小尺寸液滴從液體表面的飛濺,。此外，由于形成不連續(xù)的熔體軌跡,，成球?qū)е卤砻娲植�,。解決球化現(xiàn)象的一種方法是通過(guò)降低掃描速度或增加激光功率來(lái)減少熔池的不穩(wěn)定性。增加接觸面積/寬度或減小長(zhǎng)寬比可以穩(wěn)定熔池,。

圖35 工藝參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的成球效應(yīng),。

來(lái)源：Laser Powder Bed Fusion: A State-of-the-Art Review of the Technology, Materials, Properties & Defects, and Numerical Modelling, Journal of Materials Research and Technology, doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.07.121

來(lái)源：Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang, Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties, Progress in Materials Science, 92 (2018), pp. 112-224, 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001