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

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：這篇綜述主要解釋了LPBF工藝的基本原理,、幾個相互關聯(lián)參數(shù)的科學和技術進展,、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)對微觀結構的影響

Cherry等人報告,，LPBF工藝參數(shù)的影響顯著影響316L不銹鋼零件的微觀結構和物理性能,。材料硬度在125 J/mm3的225 HV達到峰值，并與孔隙率成比例,，較高的孔隙率導致較低的材料硬度,。從低激光能量密度下的小球特征到高激光能量密度時的小球和大小球特征的混合，發(fā)現(xiàn)了幾種導致凸面圖案的顆粒聚結類型,�,？偪紫堵适芗す饽芰棵芏鹊挠绊憽�Song等人研究了工藝參數(shù)對選擇性激光熔化Ti6Al4V的微觀結構和機械性能的影響,。以110W的激光功率和0.4m/s的掃描速度進行選擇性激光熔化,，對應于連續(xù)熔化機制，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采用LPBF技術制造的不銹鋼316L（SUS316L）零件的微觀結構,、機械性能和化學成分的影響,。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變?yōu)榇嘈詳嗔�,。由于使用LPBF制造鋁合金的困難，許多鋁合金在機械特性和微觀結構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LPBF生產(chǎn)的鋁2024合金（AA2024）的機械性能和顯微組織性能的影響。結果表明,，幾乎無裂紋的結構具有高相對密度（99.9%）和阿基米德密度（99.7%）,。

5.1.2.熱處理對微觀結構的影響

生產(chǎn)后熱處理方法在細化零件微觀結構和改善其機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）,、熱機械加工的主要目的是將α′馬氏體晶粒轉變?yōu)棣?β晶粒。退火和HIP是最常用的工藝,，因為它們在發(fā)出完全致密的零件時對齊,。已經(jīng)指出，這兩種工藝在鈦合金的情況下實現(xiàn)了其目標,�,？紤]到此類熱處理工藝，零件的最終微觀結構受溫度,、熱循環(huán)和停留時間之間的關系影響,。

5.1.1.1.溫度的影響

LPBF生產(chǎn)的零件的微觀結構在決定其機械性能方面具有重要意義。微觀結構由不同層之間的界面能,、動力學和熱力學因素（如局部應力和潤濕性）定義,。溫度對微結構的形成有相當大的影響。已經(jīng)進行了各種研究以了解溫度對合金特性的影響,。對于鈦合金,，有人認為，在非常高的溫度下退火得到的結果具有優(yōu)異的延展性和斷裂韌性,。Wu等人研究了溫度對Ti64的影響,。溫度范圍設定為300-1020℃。在600℃以下,，建筑結構幾乎沒有變化,。在750℃至990℃之間,，針狀結構開始退化,。超過1000℃時，原始β晶粒完全轉變?yōu)榈容Sβ晶粒,。類似地,，在另一個使用Ti64的實驗中，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被轉化并且不再可見。這顯示了晶粒結構的廣泛增長,。在另一項研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果,。

圖23 熱處理時LPBF構建的Ti64的微觀結構。（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度和延展性的因素。隨著溫度的升高,，延性提高,，而屈服強度和極限強度降低。但在Al-Cu-Mg的情況下,，隨著熱處理溫度的升高,，微觀結構變得更粗糙。在這種情況下,，極限抗拉強度,、屈服強度和伸長率似乎在溫度下增長。如果溫度進一步升高,，則拉伸強度降低,。這是因為顆粒的分布和尺寸不再有助于強化晶粒，因為淬火后的飽和度較低,。

5.1.1.2.傳導和鎖孔狀態(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中的熱傳導控制。然而,，在某些情況下,，熔化機制可以從傳導轉變?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在激光束后留下一系列空隙,。

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

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,。在對樣品進行橫截面和拋光后，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，當處于鎖孔狀態(tài)時,，吸收率值的顯著波動觸發(fā)了爆炸行為,。Chen等人報告說，使用非原位樣品表征和計算熱流體動力學（CtFD）建模來探索作為傳導,、過渡和小孔區(qū)域中預熱溫度的函數(shù)的熔池形狀修改,，以及圖25、26,、27和28所示的每個區(qū)域中的潛在機制,。在500°C下，實驗熔池深度在傳導區(qū)增加49%,，在過渡區(qū)增加34%,，在小孔區(qū)增加33%。相反,，每個區(qū)域中熔池寬度的變化并不都呈增加趨勢,，而是取決于熔池區(qū)域。根據(jù)經(jīng)證實的CtFD模擬,，較高的預熱溫度增加了小孔區(qū)域的蒸發(fā)質量,、反沖壓力和激光鉆孔效應，導致更深的熔池,。由于較高的流速和強烈的反沖壓力加速了反向流動,，模擬表明，提高熔體軌跡溫度顯著延長了熔體軌跡長度,。

圖24 背散射模式下的SEM圖像,，顯示了隨著掃描速度的增加,，在裸銅襯底從傳導到鍵孔的過渡區(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 導電狀態(tài)下熔池形態(tài)隨預熱溫度的變化,。


圖26 傳導狀態(tài)下熔池尺寸與預熱溫度的關系（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預熱溫度下實驗和模擬熔池的比較,。

圖27 鎖孔狀態(tài)下熔池形態(tài)隨預熱溫度的變化,。


圖28 鎖孔狀態(tài)下熔池尺寸與預熱溫度的關系（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預熱溫度下實驗和模擬熔池的比較,。

5.1.1.3.停留時間

停留時間只是熱處理過程中樣品保持在最高溫度的時間段,。Plaza等人研究了熱處理對Ti64微觀結構的影響。對具有不同停留時間的若干樣品進行熱處理（退火）,；爐將其冷卻至760℃,，然后對其進行空氣冷卻。通過比較在相同溫度下但不同停留時間下退火的樣品,，發(fā)現(xiàn)停留時間越長,，晶粒越細，延展性越高,。Vracken等人也證實了類似的結果,。圖29顯示了兩個在940℃下熱處理20小時的樣品。圖像顯示了α晶粒的有限生長,，但它逐漸轉變?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,，更長的停留時間為LPBF制造的零件提供了更好的結果。

圖29 940℃下（a）2小時和（b）20小時熱處理鈦合金的微觀結構,。

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,，在控制微觀結構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限制該過程中的特定物理,，從而導致熱力學不穩(wěn)定相,。由于微觀結構由冷卻速率監(jiān)控，我們可以說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金屬粉末的影響,。體積能量密度不能預測熔池的準確行為。

5.2.機械性能

5.2.1.抗拉強度

LPBF工藝制造的零件與傳統(tǒng)方法（如鑄造）的屈服強度比較表明,，LPBF制造的零件具有優(yōu)異的強度,。其原因在于，當少量熔融材料快速凝固時,，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的晶粒和微觀結構,。在合金中,，在LPBF期間，合金元素的偏析可以忽略不計,，導致更均勻的成分和更高的強度,。在Wei等人對LPBF制造的AZ91D進行的實驗中，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，制造零件的屈服強度和極限抗拉強度也會大幅下降,。這種行為的原因是由于激光能量供應不足導致的低密度部件,。

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

該實驗的主要結果是，如Buchbinder等人所建議的,，高掃描速度和激光功率不會影響零件的硬度,，其中掃描速度的增加會增加硬度。眾所周知,，殘余應力是缺陷,，因為它們降低密度并引發(fā)裂紋和孔隙。但Mercelis等人和Gu等人認為,，如果能夠管理密度和裂紋,，并且如果殘余應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原因是零件在加工過程中經(jīng)歷的快速凝固,。這有助于晶粒細化和形成更好的微觀結構。因此,，COF（摩擦系數(shù)）也降低,，提高了零件的耐磨性。

Gu等人試驗了掃描速度對COF和耐磨性的影響,。當使用100mm/s的掃描速度從CP-Ti制造零件時,，COF達到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）,。當使用200mm/s的掃描速度時，COF降低,，磨損率也降低�,，F(xiàn)在存在較淺的凹槽，沒有任何松散碎屑的跡象（圖30b）,。當COF和磨損率達到最小值時,，實現(xiàn)了300mm/s的最佳掃描速度。當使用400mm/s的掃描速度時,，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,。當使用大于400mm/s的掃描速度時,，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等人得出結論,，由于低掃描速度下的強烈致密化和缺陷,，實現(xiàn)了較低的硬度值。隨著更好微觀結構的形成,，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,、液體壽命長以及由此產(chǎn)生的熱應力增強,，低掃描速度和伴隨的高激光能量密度的組合導致了微觀球化現(xiàn)象和層間熱微裂紋的產(chǎn)生。另一方面,，由于Marangoni對流導致的液體不穩(wěn)定性增加,，他們使用了快速掃描速度，導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中內置部件的方向對硬度的影響,。他們證明,，面積和搭建平臺越大，試樣高度越小,，硬度越高,。這是由于特定微結構的形成�,？偟膩碚f,，這表明零件的硬度值受熱歷史、微觀結構和工藝參數(shù)等因素的強烈影響,。

5.2.3.延展性

延展性通常以犧牲強度為代價并入部件中,。通常，在LPBF工藝中,，在延展性和強度之間進行權衡,。因此，所有用于提高所生產(chǎn)零件強度的優(yōu)化參數(shù)將最終降低該零件的延展性。導致強度提高并同時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)對提高零件的延展性有很大影響。尺寸顆粒的相對密度和分布也影響延展性,。給出低密度的參數(shù)導致低韌性零件,。

5.2.4.疲勞

LPBF零件暴露于重復循環(huán)應力會導致零件疲勞,，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。由于應力集中和承載能力降低,，層間孔隙的存在導致動態(tài)強度降低,。Wang等人對LPBFed FeNiCu合金進行了研究，以了解最終導致疲勞失效的裂紋萌生模式及其擴展,。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。研究還得出結論,，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度,�,？紫堵屎蜌堄鄳�力的存在使得理解后表面加工對零件的影響具有挑��(zhàn)性。然而,，有人指出,，機械加工有助于提高疲勞強度。

Brandl等人研究了LPBF處理的AlSi10Mg,，以了解溫度,、熱處理、構建方向和疲勞性能的響應,。觀察到粉末的熱處理和加熱導致更好的微觀結構發(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,，建筑方向對疲勞性能的影響最小,。粉末床的加熱降低了冷卻速率并導致更少的缺陷，從而導致更好的疲勞性能。許多研究已經(jīng)證實,，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制斷裂區(qū)域的SEM圖像,。圖32（b）顯示了未經(jīng)過任何硬化過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建方向無關的斷裂行為周期,。

圖31 LPBFed AlSi10Mg的表面,，粉末床溫度為300℃，構建方向為00,，峰值硬化,，顯示（A）裂紋萌生位置和（B）強制斷裂區(qū)域。


圖32 LPBFed AlSi10Mg的表面,，粉末床溫度為300℃,，建造方向為00，竣工顯示（A）裂紋萌生位置和（B）強制斷裂區(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,、相組成和微觀結構,，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構特征,。熱循環(huán)可包括高加熱和冷卻速率,、溫度梯度、溫度上升等,。當激光器和材料之間的相互作用時間增加或使用非常高的激光能量密度時,，形成粗糙的微結構。結果是,，它產(chǎn)生過熱的熔池和升高的表面溫度,。這也會導致更長的凝固時間，并降低溫度梯度和冷卻速率,。當調整參數(shù)以提供足夠的激光能量密度時,，過熱熔池的產(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)后熱處理方法在細化零件微觀結構和改善其機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,，并在整個過程中提供更精細的微觀結構。許多研究人員發(fā)現(xiàn)掃描間隔對樣品硬度沒有影響,。LPBF零件具有良好的硬度,，因為該零件經(jīng)歷快速凝固，從而產(chǎn)生精細的微觀結構,。此外,，延性通常是以拉伸強度為代價實現(xiàn)的。LPBF零件暴露于重復循環(huán)應力會導致零件疲勞,，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，但也有挫折,。LPBF也不例外,。LPBF工藝的輸出結果取決于各種相關參數(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克服所有缺陷,，并通過LPBF工藝生產(chǎn)無缺陷產(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構導致了成球,。當液態(tài)熔融相材料被分解成微型球體以最小化表面能時,，這只是小顆粒的累積。另一個定義是,，當液態(tài)熔融金屬與基材或基底金屬接觸不良時,，根據(jù)最小表面能原理，由于表面張力,，液體被分解成小球,。這個過程只不過是一個稱為balling的缺陷。當提供低能量密度,、低功率,、大層厚度和高掃描速度時，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,。它還會在加工零件中產(chǎn)生許多氣孔,，甚至可能損壞輥子，影響下一層的分布,。

通常,，成球現(xiàn)象是由于熔融金屬的飛濺和熔融金屬的潤濕性差。文獻還指出,，熔池有兩個不同的部分,。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越少，則可以消除上部導致成球的傾向,。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,，高能量密度可導致高溫，降低液相粘度,。這將增加液相的流動性和潤濕性,，進一步減少成球。但是,，如果能量密度太高,，則會導致變形和成球。這是因為產(chǎn)生了殘余應力,。過量的能量也會導致金屬的蒸發(fā),。由于能量過大，氣相突然引入,，在熔池中產(chǎn)生非常大的反沖壓力,，導致金屬以射流形式逸出。這種射流被分解成微小的液滴,，從而導致成球,。此外，熔池附近的未熔化粉末飛濺開,。

圖33 熔融基質較少而熔融基質金屬較多的成球現(xiàn)象,。

圖34 LPBF中的液滴飛濺導致成球,。

在圖35中可以看到大量微米級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,。當使用非常高的掃描速度時,，激光能量密度突然下降，導致不穩(wěn)定的熔池形成,。這種不穩(wěn)定的熔池具有毛細管不穩(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，成球導致表面粗糙,。解決球化現(xiàn)象的一種方法是通過降低掃描速度或增加激光功率來減少熔池的不穩(wěn)定性,。增加接觸面積/寬度或減小長寬比可以穩(wěn)定熔池。

圖35 工藝參數(shù)選擇不當導致的成球效應,。

來源：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