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（3）

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,。


4.1.2 掃描策略的影響
不均勻熱梯度的產(chǎn)生導(dǎo)致LPBF缺陷,，如氣孔、殘余應(yīng)力和較差的表面光潔度,。掃描策略用于解決加熱和冷卻階段的熱梯度問(wèn)題,。一些研究人員設(shè)計(jì)了各種掃描策略，以產(chǎn)生幾乎沒(méi)有缺陷的完全致密的零件,。一些被廣泛接受的常見策略是單向,、雙向和孤島/棋盤策略,，如圖17所示。一些策略是通過(guò)修改其中一些基本策略而開發(fā)的,。單向策略是最簡(jiǎn)單的,，但在其他方法中給出了最差的密度結(jié)果。

圖17 不同類型的掃描策略,。

圖18顯示了應(yīng)用于AlSi10Mg的不同掃描策略,。掃描策略A（單向）、B（雙向）,、C（沿掃描方向旋轉(zhuǎn)900圈的雙向重新掃描）和D（島掃描）分別實(shí)現(xiàn)了99%,、98.9%、99.4%和98.2%的相對(duì)密度,。Dewidar等人將掃描策略分類為單層粉末熔化的標(biāo)準(zhǔn)掃描,、對(duì)角線掃描和周長(zhǎng)掃描（圖19）。Su等人嘗試采用不同的掃描策略來(lái)了解其影響（圖20）,。據(jù)觀察,，周長(zhǎng)掃描策略沒(méi)有給出相關(guān)結(jié)果，而對(duì)角線和標(biāo)準(zhǔn)掃描策略給出了幾乎相同的結(jié)果,。

圖18 標(biāo)準(zhǔn),、對(duì)角線和周長(zhǎng)掃描策略。


圖19 不同的掃描策略：數(shù)字表示掃描順序,，箭頭表示掃描方向,。


圖20 四種不同的重熔策略。

減少諸如孔隙率的缺陷的另一種替代方案是重熔,。這只是在引入新的粉末層之前將同一粉末層熔化兩次或三次,。該步驟消除了表面缺陷和表面污染物以及任何氧化物。當(dāng)其他參數(shù)不能達(dá)到全密度時(shí),，這也有助于獲得更高的密度,。唯一的缺點(diǎn)是它耗時(shí)耗力。為了避免任何殘余應(yīng)力或裂紋,，建議在低能量密度下進(jìn)行重熔工藝,。還得出結(jié)論，致密化重熔取決于仔細(xì)選擇其他參數(shù),。

AlMangour等人研究的另外四種TiC/316L重熔策略（圖20）的相對(duì)密度分別為92.48%,、96.04%、86.91%和96.40%,。結(jié)果表明,，通過(guò)采用策略I和策略II，重熔時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的致密化,，但策略III的致密化程度低于策略I,。還認(rèn)為,，相同方向的重熔產(chǎn)生了更嚴(yán)重的織構(gòu)，而沿掃描方向旋轉(zhuǎn)的重熔具有更好的織構(gòu)結(jié)果,。因此,，強(qiáng)烈建議旋轉(zhuǎn)重熔。

4.2.粉末參數(shù)對(duì)致密化的影響

LPBF工藝中使用的粉末的性能和質(zhì)量在監(jiān)控工藝穩(wěn)定性和確定所生產(chǎn)零件的性能方面起著重要作用,。當(dāng)我們考慮粉末的特性時(shí),，通常會(huì)討論粉末的尺寸、形狀,、成分,、內(nèi)部孔隙率和表面形貌。還考慮了物理變量,，如表觀密度（粉末可填充的程度）和流動(dòng)性（粉末流動(dòng)傾向的程度）,。粉末形態(tài)是監(jiān)測(cè)所有其他工藝參數(shù)的一個(gè)特征，如粉末的填充,、流動(dòng)性和熱效應(yīng)的性質(zhì),。它們?cè)谶x擇工藝的層厚度和其他參數(shù)中也起著重要作用。

4.2.1.流動(dòng)性,、吸收率,、反射率和電導(dǎo)率的影響

眾所周知，鋁粉末由于其低密度和非球形粉末而具有較差的流動(dòng)性,。這種較差的流動(dòng)性使得沉積鋁粉的任務(wù)非常困難,，這是LPBF工藝的關(guān)鍵。此外,，在霧化過(guò)程中形成表面氧化物,，限制了試圖使顆粒球化的表面張力。這導(dǎo)致流動(dòng)性差,。因此,，應(yīng)采用球形粉末，以實(shí)現(xiàn)更好的致密化和精度,，因?yàn)榍蛐畏勰┛筛纳屏鲃?dòng)性,。另一個(gè)關(guān)鍵因素是粉末應(yīng)無(wú)明顯缺陷，如氣孔,，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致顆粒之間的低融合,，直接影響密度。粉末的尺寸也會(huì)影響細(xì)顆粒和窄顆粒,，細(xì)顆粒和細(xì)顆粒傾向于聚集在一起并融合，與較大顆粒和粗顆粒相反,。

SLM處理的Ti-TiB復(fù)合材料樣品的顯微CT圖像,，該樣品由研磨（a）2的Ti–TiB2粉末混合物制備 h和（b）4 h,、 研磨2小時(shí)的Ti-TiB2粉末混合物中的SLM處理的Ti–TiB復(fù)合材料樣品的相對(duì)密度 h和4 h分別為99.5%和95.1%。

LPBF工藝的基本步驟之一是激光束與粉末顆粒的相互作用以及粉末對(duì)激光能量的吸收,。吸收率（計(jì)算為吸收能量輻射與入射能量輻射的比值）在LPBF過(guò)程中給出準(zhǔn)確結(jié)果起著關(guān)鍵作用,。粉末層首先吸收表面上的激光能量，導(dǎo)致表面上的溫度升高,。然后熱量開始流向顆粒的中心,，導(dǎo)致熱循環(huán)的發(fā)展。熱傳遞一直持續(xù)到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),，這也取決于周圍粉末顆粒的性質(zhì),。如果粉末在特定局部區(qū)域的吸收率不同，它將使粉末汽化,。在紅外范圍內(nèi),，鋁具有高反射性。對(duì)于1毫米波長(zhǎng)的激光,，鋁幾乎反射了一切,，只吸收了約7%的能量。盡管由于多次吸收和反射,，整個(gè)粉末床的吸收將高于預(yù)期值,，但必須提供高于計(jì)算值的激光能量，以克服反射率問(wèn)題,。此外,，已經(jīng)掃描的層和新的相鄰顆粒之間的吸收率將不同。因此,，在重疊軌道情況下會(huì)產(chǎn)生溫度梯度,，這可能會(huì)導(dǎo)致球化。

Al也因其高導(dǎo)電性而聞名,。在這種情況下,，熱能供應(yīng)迅速傳導(dǎo)到附近已經(jīng)掃描和固化的部分。這可能會(huì)產(chǎn)生多重影響,。首先,，與低導(dǎo)電性材料相比，將消耗更多的能量,。高導(dǎo)電材料的熔體軌跡寬度將遠(yuǎn)大于低導(dǎo)電材料,，因?yàn)闊崃繌南噜弲^(qū)域傳導(dǎo)出去。Mg具有高導(dǎo)電性和高反射率的特性,。但是與固體基底相比,，沉積的粉末具有相對(duì)較差的導(dǎo)電性。施加熱量時(shí)，其流動(dòng)緩慢,，導(dǎo)致熔池過(guò)熱,。這會(huì)影響熔池的尺寸，并在粉末和固體之間產(chǎn)生密度差異,。高導(dǎo)電性和反射率的另一個(gè)缺點(diǎn)是,，控制和監(jiān)控LPBF工藝具有挑戰(zhàn)性。

使用2.5 W激光功率,、1.0 mm/s掃描速率和0.15 mm掃描線間距的激光燒結(jié)HSS表面的SEM圖像：（a）銑削M3/2–11,；（b）水霧化M3/2–32；（c）水霧化M3/2–100,；（d）氣體霧化M2-117,。

4.4.2.粉末原料

所生產(chǎn)部件中的持續(xù)缺陷產(chǎn)生、高材料成本和粉末原料缺乏一致性都是金屬增材制造（AM）主流化的主要障礙,。了解原料質(zhì)量如何隨著再利用而變化,，以及這些影響如何建立機(jī)械性能，對(duì)于生產(chǎn)更可靠,、復(fù)雜形狀的金屬零件至關(guān)重要,。如果粉末顆粒與能量源接觸，但未合并為AM組分,，則它們可能會(huì)經(jīng)歷各種動(dòng)態(tài)熱相互作用,，從而導(dǎo)致不同的顆粒行為。粉末進(jìn)料質(zhì)量在LPBF工藝中至關(guān)重要,，因?yàn)樵摷夹g(shù)依賴于分布和選擇性熔化的小粉末層來(lái)創(chuàng)建3D金屬部件,。顆粒形態(tài)、粒度分布,、表觀密度和流動(dòng)性是用于評(píng)估增材制造中粉末質(zhì)量的唯一參數(shù),。

最近的研究表明，這些策略可能不是最合適的,。由于鋁顆粒復(fù)雜的內(nèi)聚行為影響其流動(dòng)性,，因此研究鋁顆粒的難度加大。Muñiz-Lerma等人研究了粉末鋪展密度,、吸濕性,、表面能、內(nèi)聚功和粉末流變學(xué)以及常規(guī)粉末特性評(píng)估,。根據(jù)這項(xiàng)研究,，小顆粒的參與增強(qiáng)了濕度拾取，提高了總顆粒表面能和顆粒間的內(nèi)聚力,。這種沖擊阻礙了粉末流動(dòng),，從而阻礙了最佳印刷所需的均勻?qū)臃植�,。�?dāng)球形顆粒更顯著時(shí)，水分吸附,、表面能和內(nèi)聚性能降低,。這一發(fā)現(xiàn)表明,，有問(wèn)題的粉末原料可以通過(guò)調(diào)整顆粒分布,、尺寸和形狀來(lái)調(diào)整LPBF。Santecchia等人報(bào)告說(shuō),，回收建筑作業(yè)中未熔化的粉末對(duì)于使LPBF更具成本效益和環(huán)境友好至關(guān)重要,。然而，需要對(duì)整個(gè)過(guò)程有更深入的了解,，因?yàn)榧す馀c粉末的相互作用涉及復(fù)雜的物理現(xiàn)象,，并產(chǎn)生可能危及原料和最終結(jié)構(gòu)部件完整性的副產(chǎn)品。Hupfeld等人報(bào)告稱,，在原料中添加納米顆粒是調(diào)整原料材料性能以實(shí)現(xiàn)可打印性并獲得所需打印部件性能的最終解決方案,。

原始粉末和重復(fù)使用粉末在229x、457x和2290x放大倍數(shù)下的SEM圖像,。底部圖像上的箭頭表示重復(fù)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)的平滑的重熔粒子,。

4.2.3.顆粒形狀、尺寸和分布對(duì)致密化的影響

由于完全熔化是LPBF工藝的關(guān)鍵目標(biāo),，顆粒尺寸和形狀的影響通常被認(rèn)為價(jià)值較小,。但在了解粉末性質(zhì)（如形狀、尺寸,、表面形態(tài),、化學(xué)成分和尺寸分布）對(duì)SLS工藝的影響方面，已經(jīng)做了大量工作,。然而,，更好的致密化總是增強(qiáng)LPBF結(jié)果，我們通常會(huì)嘗試了解粉末粒度在增材制造過(guò)程中的影響,，特別是SLS,。

Olakanmi等人在對(duì)AL-Si進(jìn)行激光燒結(jié)的工作中指出，粉末粒度和粒度分布對(duì)最終零件的致密化具有關(guān)鍵影響,。有人指出,，較小的顆粒很快燒結(jié)，顆粒之間的接觸點(diǎn)會(huì)形成頸狀,，從而實(shí)現(xiàn)致密化,。為了獲得更好的粉末燒結(jié)，需要混合不同尺寸的粉末,。然而,，細(xì)粉末顆粒有助于增加堆積密度和燒結(jié)響應(yīng),。小顆粒由于燒結(jié)而承受的應(yīng)力比大顆粒大得多。因此,，小顆粒非常容易產(chǎn)生缺陷,。這也意味著較大的顆粒會(huì)限制小顆粒的收縮，從而導(dǎo)致大顆粒周圍的開裂,。不同尺寸顆粒在加工過(guò)程中的響應(yīng)不同,。較大尺寸的顆粒需要更多的時(shí)間和能量來(lái)熔化。因此,，必須優(yōu)化參數(shù),，以避免局部過(guò)熱或部分熔化，從而導(dǎo)致孔隙度,。盡管對(duì)于較低的激光能量密度值,，小尺寸顆粒可以比較粗和較大顆粒提供更好的結(jié)果,，但它們可以被屏蔽室中的氣體吹走并粘附到表面,。這干擾了下一個(gè)粉末床的分布。

原始粉末和重復(fù)使用粉末中γ奧氏體（藍(lán)色）和δ鐵素體（紅色）區(qū)域的EBSD相圖和逆極圖,。

Liu等人指出,，粉末顆粒的形狀也影響致密化過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)鋁粉和氧化物層之間的熱膨脹導(dǎo)致氧化物斷裂,。球形和不規(guī)則形狀顆粒的斷裂特征不同,。Niu等人對(duì)水霧化角顆粒和氣體霧化球形顆粒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn),，氣體霧化球形顆粒的SLS形成了均勻致密的單層,。不規(guī)則形狀的顆粒和高氧含量導(dǎo)致水霧化顆粒的多孔結(jié)果。Olakanmi等人研究了粉末性質(zhì)對(duì)經(jīng)歷LPBF工藝的鋁粉致密化動(dòng)力學(xué)的影響,。發(fā)現(xiàn)致密化動(dòng)力學(xué)主要受所用粉末的氧化物組成,、形狀和密度的影響。Olakanmi等人認(rèn)為,，零件的表觀密度和攻絲密度源自工藝過(guò)程中發(fā)生的熱循環(huán),，可以通過(guò)使用不同尺寸的顆粒輕松控制。這種技術(shù)通常被稱為雙峰或三峰粉末分布,。

4.2.4.合金元素對(duì)致密化的影響

Zhang等人進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),，以了解將鎳作為合金元素添加到鎢粉中的效果。對(duì)含10%,、20%和40%（重量）鎳的鈦粉末進(jìn)行LPBF工藝,。結(jié)論是，鎳的加入提高了鈦鎳合金的密度,。Dadbaksh等人進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn),，以了解在不同的鋁合金（如純鋁,、AlMgSiCu和AlSi10Mg）中添加15重量%的Fe2O3。結(jié)論是,，添加Fe2O3有助于鋁合金的固結(jié)性能（圖21）,。這種添加也有助于降低孔隙率和氧化層破裂等缺陷。

圖21 添加15重量%的Fe2O3對(duì)不同鋁合金致密化的影響,。

Wang等人研究了合金元素X（Cr,、Mn、Mo,、Ni,、Si）對(duì)選擇性激光熔化形成的TiC/316L不銹鋼復(fù)合材料中TiC（001）/γ-Fe（001）界面穩(wěn)定性的影響,。Cr4,、Mn4、Mo4,、Ni1和Si1界面模型的粘附功,、鍵長(zhǎng)、層間距離和電學(xué)性能表明更有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度,，并且Cr-,、Mn-、Mo-摻雜界面比其他界面更穩(wěn)定,。合金原子的摻雜由X1和X4結(jié)構(gòu)表示,，但僅在不同的晶體位置。因此,，在TiC中添加Cr,、Mn、Mo,、Ni和Si將加速Fe的異相成核,，增加TiC的異相形核電位，并提高TiC/316L不銹鋼復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度,。Wei等人研究了鋅含量對(duì)Mg-Zn二元合金致密化行為,、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。Mg7Zn3的數(shù)量隨著Zn濃度的增加而同步增加,，而其形態(tài)逐漸從粒狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,。根據(jù)硬度和拉伸試驗(yàn)，只有Mg-1Zn試樣具有與鑄態(tài)試樣相同的機(jī)械質(zhì)量,。隨著Zn濃度的增加,，LPBF處理合金的機(jī)械特性顯著降低，這是由于致密化程度的惡化,。Kimura等人研究了硅（Si）含量（Si=0,、1,、4、7,、10,、12和20質(zhì)量%）對(duì)使用選擇性激光熔煉制備的AL-xSi二元合金的致密化、機(jī)械和熱性能的影響,。極限抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)力隨著硅含量的增加而增加,，而伸長(zhǎng)率和導(dǎo)熱率則下降。隨著硅含量的增加,，更多的硅結(jié)晶相歸因于這些機(jī)械性能,。

4.3.替代參數(shù)

4.3.1.大氣條件

在LPBF過(guò)程中，大氣中存在氧氣,，尤其是金屬,，可能會(huì)造成災(zāi)難性后果，因?yàn)樗鼤?huì)形成氧化物,，也會(huì)導(dǎo)致成球,。因此，控制LPBF工藝氣氛非常重要,，這樣可以避免不期望的反應(yīng),。受控氣氛還可導(dǎo)致一些期望響應(yīng)的啟動(dòng)。例如,，向Al中添加氮以形成AlN可防止氧化并提高尺寸穩(wěn)定性,。Wu等人研究了氧含量對(duì)鈦合金Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C微觀結(jié)構(gòu)的影響。保護(hù)氣體用作氬氣,，氬氣保護(hù)室內(nèi)的氧氣濃度低于5ppm,。結(jié)果表明，在空氣中加工的零件的顯微組織具有較大的枝晶狀結(jié)構(gòu),，且較粗,。同時(shí)，在屏蔽氣氛中生產(chǎn)的零件具有均勻分布的細(xì)晶粒,。Schaffer等人對(duì)鋁及其合金燒結(jié)的大氣條件進(jìn)行了研究[266],。他們指出，真空,、氮?dú)�,、氬氣和氫氣通常用作保護(hù)氣體。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，對(duì)于AL-Mg-0.5Si-0-2Cu合金,，氮?dú)獾奶幚硇Ч�更好，而AL-4.5Cu-0.5Mg-0.2Si在真空屏蔽室中的處理效果更佳,。指出產(chǎn)生差異的根本原因是工藝后的冷卻速率不同,。

原始粉末和重復(fù)使用粉末中fccγ奧氏體（藍(lán)色）和bccδ鐵素體（紅色）區(qū)域的EBSD相位圖和逆極圖蒙太奇圖,。

4.3.2.致密化行為和工藝變量

致密化行為和加工參數(shù)之間關(guān)系的討論可以集中在激光能量密度上，這只是參數(shù)變化的組合,。通常,，觀察到隨著激光能量密度值的增加，觀察到具有最小孔隙的光滑表面,。這是因?yàn)橐合喔�好地熔化和流入空��,。掃描速度的降低為激光束相互作用和粉末提供了更多的時(shí)間，從而導(dǎo)致完全熔化,，從而獲得更好的密度,。當(dāng)掃描線彼此靠近時(shí)，隨著液態(tài)熔融金屬的流動(dòng)和分布增加,，密度也隨著艙口間距的減小而增加,。較高的層厚度將導(dǎo)致缺乏用于粉末床完全熔化的激光能量密度，而較淺的層厚度會(huì)增加生產(chǎn)和成本時(shí)間,。因此,，需要計(jì)算最佳層厚度以平衡兩個(gè)極端。粉末性質(zhì)也影響致密化行為,。粉末的質(zhì)量由尺寸、形狀,、表面形態(tài),、成分和內(nèi)部孔隙率以及物理變量（如流動(dòng)性、吸收率,、反射率和熱導(dǎo)率）決定,。此外，在LPBF處理過(guò)程中保持氣氛受控非常重要,，因?yàn)樗�可以防止不期望的反�?yīng)并減少金屬表面上的氧化物,，從而導(dǎo)致諸如球化等缺陷。

5.LPBFed零件的特性

5.1.微觀結(jié)構(gòu)

LPBFed零件中的微觀結(jié)構(gòu)由短冷卻循環(huán)控制,�,？焖倌�固和定向凝固為L(zhǎng)PBFed零件提供了更精細(xì)的組織。還可以通過(guò)控制工藝參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)相組成,、相百分比和晶粒尺寸,。基于產(chǎn)品質(zhì)量的性能在很大程度上取決于其制造過(guò)程中經(jīng)歷的熱循環(huán),。熱過(guò)程包括高冷卻和加熱速率,、大溫度梯度、突然溫度升高等,。LPBFed零件的最終微觀結(jié)構(gòu)主要取決于高凝固速率,。

截面中重復(fù)使用顆粒的TEM EDS圖,。

所有工藝參數(shù)，包括層厚度,、掃描速度,、陰影間距和激光功率，都強(qiáng)烈影響微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展,。已經(jīng)進(jìn)行了許多研究,，以了解工藝參數(shù)對(duì)工藝?yán)鋮s速率以及隨后對(duì)所形成的微觀結(jié)構(gòu)的影響。Do等人和Han等人研究了激光能量對(duì)LPBF處理的Ti64微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響,。這兩項(xiàng)研究工作表明,，在所有激光能量值下存在馬氏體結(jié)構(gòu)的結(jié)果相同。觀察到隨著激光能量密度的增加,，冷卻速率降低,，馬氏體晶粒尺寸增大。特別是,，還觀察到,，激光能量密度的增加減小了α′的寬度和它們之間的間距，但增加了柱狀晶粒的寬度,。對(duì)Ti-6Al-V4進(jìn)行的許多LPBF研究表明,，柱狀的α′馬氏體晶粒先于β。產(chǎn)生這種微觀結(jié)構(gòu)的主要原因是選擇工藝參數(shù),，使冷卻速率大于410K/s,。還觀察到，對(duì)于鎂加工零件的微觀結(jié)構(gòu),，由于高速和低功率,，較低的能量密度導(dǎo)致了較高的冷卻速率，導(dǎo)致了更精細(xì)的晶粒,。通過(guò)降低速度和增加功率,，可以產(chǎn)生較低的冷卻速率和較粗的晶粒。

除了改變工藝參數(shù)外,，形成的微觀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)還取決于激光和粉末之間的相互作用時(shí)間,。相互作用周期和激光能量密度之間的這種關(guān)系導(dǎo)致溫度梯度（G）、凝固速率（R）和冷卻速率,。觀察到,，增加G/R比使樹枝晶形成傾向于細(xì)胞狀樹枝晶晶粒。此外,，更高的冷卻速率支持更高過(guò)冷度的概念,，從而產(chǎn)生更精細(xì)的晶粒。因此，不同熱循環(huán)的這些速率控制形成的微結(jié)構(gòu)的類型和規(guī)模,。過(guò)熱的熔池高溫表面在激光和材料之間的相互作用時(shí)間較長(zhǎng)的情況下形成,。由于低掃描速度或高激光功率，這也可能導(dǎo)致高能量密度,。這種條件也會(huì)增加基礎(chǔ)溫度,。這導(dǎo)致溫度梯度減小并降低冷卻速率，從而產(chǎn)生較粗的微觀結(jié)構(gòu),。

EBSD逆極點(diǎn)圖和相位圖：a）焊接熔池飛濺顆粒,，b）AM熔池飛濺粒子，c）激光掃描顆粒,，d）激光掃描粉末擴(kuò)散,。（藍(lán)色：γfcc，紅色：δbcc）

與此相反,，當(dāng)改變參數(shù)以提供低激光能量密度時(shí),，不會(huì)發(fā)生過(guò)熱。保持平均溫度梯度,，并且適當(dāng)?shù)睦鋮s速率形成更精細(xì)的晶粒,。工藝參數(shù)還控制熔池的幾何形狀。當(dāng)激光能量密度剛好足以熔化粉末時(shí),，由于高表面張力而形成圓柱形幾何熔池,。如果前一層或基底層被預(yù)熱或部分溶解在多層中，則會(huì)影響冷卻速率和微觀結(jié)構(gòu),。

在LPBF工藝中,，由于具有高蒸氣壓的元素的蒸發(fā)，成分和微觀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化,。這也增加了未因溶質(zhì)捕獲現(xiàn)象而蒸發(fā)的元素的百分比。在高溫梯度下,，合金元素的均勻分布得到改善,。這是由于被稱為馬蘭戈尼效應(yīng)的效應(yīng)。還應(yīng)注意,，LPBF工藝中使用的激光器的類型和模式也會(huì)影響微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展,。在連續(xù)和脈沖模式下處理鎂粉末。當(dāng)使用恒定波時(shí),，形成完全再結(jié)晶的晶粒,。但當(dāng)使用脈沖模式時(shí)，觀察到顆粒的不完全生成（圖22）,。這是因?yàn)槊}沖模式下的凝固速率高于連續(xù)模式下的固化速率,。此外，在脈沖模式下,，沒(méi)有足夠的時(shí)間使顆粒重新排列和排列以達(dá)到平衡,。在連續(xù)模式下形成的晶粒的平均尺寸高于在脈沖模式下設(shè)置的晶粒,。與其他增材制造方法相比，LPBF采用更小的激光光斑尺寸和更小的層厚度,。這涉及小的熔池形成,，并導(dǎo)致更精細(xì)的晶粒。層厚度單獨(dú)不影響微結(jié)構(gòu)的發(fā)展,，直到它與其他參數(shù)的變化相結(jié)合,。但是，Salvani等人觀察到,，層厚度直接影響氧含量并控制微觀結(jié)構(gòu)變化,。需要進(jìn)一步的研究來(lái)預(yù)測(cè)不同情況下不同材料的微觀結(jié)構(gòu)。

圖22 具有連續(xù)和脈沖模式激光的LPBFed零件的微觀結(jié)構(gòu),。

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