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（1）

來源：長三角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,、幾個相互關(guān)聯(lián)參數(shù)的科學(xué)和技術(shù)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。本文為第一部分,。


增材制造（AM）在多個方面徹底改變了制造業(yè),。激光粉末床熔化（LPBF）是一種粉末床熔化AM工藝，由于其對多種材料（包括合金）的多功能性,，已被廣泛接受,。這篇綜述主要解釋了LPBF工藝的基本原理、幾個相互關(guān)聯(lián)參數(shù)的科學(xué)和技術(shù)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,。特別關(guān)注選擇性激光計量（LPBFed）性能，通過微觀結(jié)構(gòu)形成驅(qū)動,，從而關(guān)注缺陷,。本文還討論了細化微觀結(jié)構(gòu)的后處理技術(shù)的范圍。已確定缺陷在LPBF工藝中至關(guān)重要,，主要受工藝參數(shù)控制,。因此，明智地選擇,、優(yōu)化的一組參數(shù)可以在顯著減少缺陷方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,。最后，本文中討論的數(shù)值模擬將有助于研究人員理解LPBF過程,。

1.介紹

增材制造（AM）,，俗稱3D打印，已經(jīng)使制造業(yè)從開發(fā)概念到生產(chǎn)最終功能部件發(fā)生了革命性的變化,。它也在推動下一代創(chuàng)新和工程,。AM對許多行業(yè)產(chǎn)生了顯著的影響，因為它使高度復(fù)雜和薄壁零件的制造具有成本效益,。AM的持續(xù)增長引發(fā)了對新制造方法的需求,，這增加了對加工可靠性的需求，包括基于幾何、功能和物理特性的預(yù)期用途所需的特定于應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計,。工藝的設(shè)計能力通常由計算機軟件組成,，允許設(shè)計者預(yù)測每個部件的性能和處理能力，提高設(shè)計效率并降低生產(chǎn)成本,。AM工藝在計算機輔助設(shè)計（CAD）模型的指導(dǎo)下,，通過逐步添加薄層材料來制備三維（3D）零件。它允許直接從設(shè)計或模型中制造定制或復(fù)雜的形狀,，而無需使用任何昂貴的工具,，如模具或沖頭，并消除了對許多常規(guī)方法和步驟的需要,，如更換工具,。

采用300 W激光功率和15 mm/s掃描速度在IN 718襯底上沉積(a) 1層和(b) 10層IN 718粉末時的溫度分布。激光束掃描方向沿正x軸(c)第十層熔池形狀和尺寸和(d)表面張力梯度驅(qū)動熔池內(nèi)金屬液循環(huán),。

與傳統(tǒng)的制造方法不同,，復(fù)雜的零件（如圓孔或直切口）可以在一個步驟中輕松制造。此外,，AM工藝可以減少大量零件,，因為不需要任何組件，因為零件是一次性制造的,。鑒于上述優(yōu)點,，AM在航空航天、能源,、汽車和醫(yī)療行業(yè)中被廣泛使用和首選,，以設(shè)計和生產(chǎn)高性能零件。與傳統(tǒng)方法相比,，AM工藝最突出的優(yōu)點是其生產(chǎn)復(fù)雜零件的能力,。它通過消除傳統(tǒng)的制造工藝（如鑄造、鍛造或擠壓）,，直接從原料材料中成形,。由于其近凈成形能力，廢物最小化也是AM的最大優(yōu)勢之一,。此外,，未使用的原料可在AM中重復(fù)使用，使其在原料材料上具有靈活性,，并具有成本效益,。圖1為AM生產(chǎn)部件的幾個示例。

圖1 （a）使用EBM生成的3D Ti6Al4V網(wǎng)格,，（b）由LPBF生成的部分,，（c）由EBM生成的零件,，（d）由EBM生成的晶格結(jié)構(gòu),，（e）由DED生成的Ti葉片,，（f）由LPF生成的多孔樣品。

目前,，AM的主要障礙是需要完全理解加工參數(shù)與最終零件性能以及材料性能之間的關(guān)系,。由于打印過程中涉及復(fù)雜的熱循環(huán)，主要是金屬零件的性能變化程度非常高,。然而,，AM和常規(guī)生產(chǎn)零件的性能（如殘余應(yīng)力、各向異性和缺陷）幾乎沒有冶金差異,。這些特性僅限于AM,，需要針對航空航天應(yīng)用等高性能要求進行處理，主要是暴露于高溫疲勞的部件,。

基于致密金屬零件的制造,，通常使用基于粉末床的方法，如LPBF（激光粉末床熔合）,、EBM（電子束加工）和DED（定向能量沉積）,。所有這些過程都涉及進料粉末與產(chǎn)生熔池的激光或電子束的相互作用，導(dǎo)致快速熔化和凝固,。由于短時間的相互作用和熱輸入高度集中在一個小區(qū)域內(nèi),，觀察到高溫度梯度和大冷卻速率。由于不可避免的缺陷,，零件的機械和疲勞性能將進一步惡化,。最終零件的機械性能用于確定AM是否可以被接受，以替代傳統(tǒng)的關(guān)于所生產(chǎn)零件的服務(wù)質(zhì)量和耐久性的方法,。因此,，為了進行質(zhì)量評估，有必要比較AM制造部件和常規(guī)制造部件的實際要求和性能,。其他AM方法包括BJG（粘合劑噴射）和透鏡（激光工程網(wǎng)成形）,。在透鏡中，金屬粉末被注入到由高強度激光束形成的熔池中,，以產(chǎn)生零件,。

普渡大學(xué)的激光熔覆系統(tǒng)和噴嘴配置。

相反,，BJG使用相反的原理,，即使用粘合劑熔化金屬粉末，然后將其暴露于熱能,。所有方法都有其優(yōu)缺點,，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)進行選擇,。可使用的材料類型是微分器之一,。Debroy等對所有工藝中的不同材料進行了實驗,，發(fā)現(xiàn)LPBF是使用不同材料的最通用方法。隨后,，LPBF已成為一個有趣的研究課題,，主要在生物醫(yī)學(xué)和航空航天行業(yè)。撇開這些優(yōu)點不談,，LPBF方法存在一些挑戰(zhàn),。高密度零件和高冷卻速率的要求存在，這會影響微觀結(jié)構(gòu),。因此,，LPBF生產(chǎn)的零件通常具有較差的延展性。其他缺陷,，如球化和氣孔,，也會影響LPBF工藝，尤其是疲勞性能,。高冷卻速率和溫度梯度導(dǎo)致殘余應(yīng)力,，顯著影響裂紋萌生。

本文重點介紹了LPBF工藝和優(yōu)化其可制造性的方法,。許多工藝參數(shù)影響LPBF工藝,，因此，可以不同地控制最終零件產(chǎn)品特性,。特別注意收集,、審查和理解文獻科學(xué)卷中獲得的實驗數(shù)據(jù)，以建立這些輸入?yún)��?shù)與LPBFed部件特性之間的關(guān)系,。在本綜述文件的后續(xù)章節(jié)中,，還將討論原料系統(tǒng)在LPBF工藝中的作用。

1.1 技術(shù)趨勢,、更大的構(gòu)建平臺和更多激光器

自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來,，激光粉末床聚變（L-PBF）一直在快速轉(zhuǎn)型，主要受航空航天,、生物醫(yī)學(xué),、國防和汽車等行業(yè)的需求和要求驅(qū)動。這種趨勢在未來將繼續(xù)增加,，幫助制造商向更具創(chuàng)新性,、數(shù)字化和高價值的制造業(yè)轉(zhuǎn)型。本節(jié)討論了L-PBF技術(shù)的現(xiàn)狀及其前景,。綜述了L-PBF技術(shù)中的主要新興主題,，包括激光技術(shù)突破,、新型金屬粉末和合金、后處理增強以及最近的自動化和質(zhì)量控制,。

含TiC的功能梯度鉻鎳鐵合金,。

1.1.1.提高質(zhì)量的技術(shù)趨勢

在所有制造金屬的AM方法中，如電子束粉末床熔合,、直接能量沉積,、粘合劑噴射和薄片層壓,，LPBF的制造速度最慢,。可更換進料室,、閉環(huán)控制粉末管理,、自動粉末篩選、多層并行打印,、兩軸涂布和多粉末料斗是LPBF打印機的最新進展和未來方向,。LPBF打印機設(shè)計的另一個進步是使用低光束直徑激光器、多激光器,、均勻惰性氣體流,、精確定位系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)和傳感器以及自動化來提高零件質(zhì)量,。LPBF機器制造商的主要目標(biāo)之一是提高他們生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量,。提供均勻一致的惰性氣體流的新設(shè)計，導(dǎo)致更高的熔合穩(wěn)定性,，是不同機器特性如何影響部件質(zhì)量的一個例子,。

此外，恒定的氣流減少了尺寸變化,，導(dǎo)致產(chǎn)品具有更嚴(yán)格的公差,。最小層厚度是粉末顆粒尺寸和打印機定位系統(tǒng)的直接函數(shù)。在構(gòu)建平臺上使用極為精確的定位設(shè)備可減少最小層厚度,，從而實現(xiàn)10μm的精度和更好的側(cè)面和側(cè)面分辨率,。閉環(huán)控制（CLC）系統(tǒng)被用作一些現(xiàn)代機器的可選功能，以微調(diào)工藝參數(shù),，提高部件質(zhì)量,，并改善所生產(chǎn)零件的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)。

1.1.2 減少生產(chǎn)/制造提前期的技術(shù)趨勢

降低生產(chǎn)提前期是降低構(gòu)建總成本的一種有效策略,。由于低層厚度和陰影空間,，金屬的LPBF具有比其他技術(shù)（激光熔覆、電子束熔化,、電子束自由成形制造,、線弧AM和等離子弧AM）更低的構(gòu)建速率,。最近已經(jīng)實現(xiàn)了各種增強來補償這個問題。通過使用可調(diào)氣缸和自主粉末管理系統(tǒng)來減少安裝時間并提高生產(chǎn)率,，提高了設(shè)備使用率,。一些企業(yè)還提供閉環(huán)控制粉末處理和可更換氣缸作為創(chuàng)新，以提高生產(chǎn)速度,。即使以最大容量打印,，圓形平臺也可防止粉末分散，并且在整個構(gòu)建周期內(nèi)不需要任何粉末填充或卸載,。這允許一致的施工過程,、減少操作員時間和提高系統(tǒng)安全性。另一種提高機器LPBF性能的技術(shù)是在生產(chǎn)線的多個單元上采用標(biāo)準(zhǔn)自動粉末管理系統(tǒng),。通過自動化篩選過程和再循環(huán)粉末,，減少了人力時間，提高了生產(chǎn)率,。多層并行打印是最新的技術(shù),，可縮短打印時間，并將打印速度提高到當(dāng)前方法的100倍,。

許多粉末層同時分散在構(gòu)建表面上,，允許激光同時掃描多個位置。采用傾斜重涂機,，減少粉末重涂時間,，是另一項加快過程的創(chuàng)新。通過采用氣密設(shè)計和氣體循環(huán)系統(tǒng)等元件,，也可以實現(xiàn)低運營成本,。在現(xiàn)代LPBF機器中，具有高達10 m/s的處理速度和超過1000 W的高功率的超快四路激光器提高了構(gòu)建速度,。圖2描述了幾種機器的激光功率,。可以觀察到,，最近被指定為工業(yè)機器的選擇性激光熔化（SLM）系統(tǒng)（SLM 800和SLM 500）利用功率為2800W（4700W）的激光,，允許更快地印刷較大的部件。GE機器也配備了高功率激光器,，可輸出高達1500 W的功率,，以實現(xiàn)更快的打印。

圖2 小型機器（藍色）,、中型機器（紅色）和重型機器（綠色）的激光功率比較,。

圖3是德國Lübeck SLM Solutions Group AG的新型SLM®機器NXG XII 600，該機器已正式推出,，現(xiàn)已準(zhǔn)備投入商業(yè)使,。激光束粉末床聚變（PBF-LB）增材制造機具有12臺1 kW激光器和600 x 600 x 600 mm正方形構(gòu)建環(huán)境,。據(jù)制造商稱，NXG XII 600是市場上速度最快的調(diào)幅機,，其制造速度比單個激光機快20倍,，其技術(shù)特點包括變焦功能，以確保最大的生產(chǎn)率和可靠性,。它旨在用于大批量應(yīng)用的串行制造和大型零件的制造,，為汽車和航空航天行業(yè)開辟了新的可能性，并為工業(yè)化串行AM鋪平了道路,。

圖3 配備12臺1kW激光器的新SLM機（NXG XII 600）,。

1.2 激光束輪廓

在LPBF過程中，在激光-粉末相互作用過程中,，整個粉末床的熱強度分布被認(rèn)為在大多數(shù)情況下遵循高斯光束模式,。然而,，整個表面的熱分布是一個復(fù)雜的過程,，受光束質(zhì)量和激光波長等因素的影響。在以精確描繪實際光束的方式呈現(xiàn)激光-材料相互作用時,，必須考慮到這一點,。Soylemez使用高斯激光束模型來模擬LPBF處理Ti-6Al-4V合金的溫度分布。圖4顯示了激光吸收效率值,，它顯示了來自模擬的熔池橫截面圖像,。在模擬中，紅色區(qū)域表示熔融區(qū)域,，而黑色虛線表示從實驗樣品橫截面的光學(xué)顯微鏡圖像傳輸?shù)娜鄢剡吔缃Y(jié)果,。圖4（a）和（b）分別顯示了100 m和260 m光束直徑的結(jié)果。由于軟件的后處理程序,，熔池部分的等高線圖在邊界處具有不連續(xù)性,。

圖4 P=370W和v=800 mm/s時模擬和實驗之間的熔池對比示意圖。紅色區(qū)域是模擬的熔池截面,，虛線是相同工藝參數(shù)下實驗橫截面的熔池邊界,。（a） D=100μm，（b）D=260μm,。

Ahsan和Ladani使用非高斯激光束模型來模擬溫度分布,、微珠幾何形狀和元素蒸發(fā)。他們將結(jié)果與LPBF處理Inconel 718合金的高斯光束模型進行了比較,。比較了非高斯光束和高斯光束的熱特性,。高斯光束產(chǎn)生更局部化的溫度分布，導(dǎo)致熔池中心更顯著的溫度升高,。隨著光束質(zhì)量因子的加入,，減少了光束焦點,，注意到遠離光束中心的熱分布更加均勻。在最高溫度低于高斯光束的情況下,，使用非高斯光束獲得的溫度分布與觀察到的溫度分布更具可比性,。攝像機無法在較低溫度范圍內(nèi)測量溫度，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)在較低的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值,。

Shi等人將高斯（圓形）和橢圓（橫向和縱向）激光束形狀用于316L不銹鋼的LPBF工藝,。已經(jīng)看到，橢圓形橫向激光束產(chǎn)生的寬光束寬度與通過成核過程產(chǎn)生等軸晶粒的可能性相關(guān),。在軌道開始時,，柱狀開發(fā)很難避免。無熱輸入時的生長形態(tài)由熔池寬度和深度以及熱過冷度決定,。根據(jù)研究人員的說法,，對微觀結(jié)構(gòu)控制的局部光束成形物理的這一基本理解應(yīng)該對未來復(fù)雜的光束形狀設(shè)計和光束調(diào)制產(chǎn)生影響。Iveković等人使用實驗和數(shù)值方法研究了哈氏合金-X的LPBF工藝中的微觀結(jié)構(gòu)和裂紋緩解,。通過考慮兩種不同的激光束分布（高斯和頂帽）,，模擬了LPBF過程。

2 LPBF：一個突出的AM過程

LPBF是使制造業(yè)發(fā)生革命性變化的AM工藝之一,，因為它允許制造復(fù)雜部件以降低成本,、時間和勞動力。它可以在不使用工具,、鑄件或傳統(tǒng)制造方法的情況下制造復(fù)雜形狀,。LPBF工藝對于理解操作參數(shù)與最終零件性能之間的關(guān)系至關(guān)重要。LPBF是一種粉末床融合方法,，其中粉末床被擴散,，預(yù)定區(qū)域暴露于高強度激光能量。這樣,，粉末可以按照CAD軟件中準(zhǔn)備的設(shè)計逐層熔化和熔融,。這個名字本身就說明了這個過程。術(shù)語“激光”表示過程中使用激光能量熱源,，“熔化”表示粉末正在熔化,，“選擇性”表示只有粉末床的選擇性部分受到熱源的影響。

PBF系統(tǒng)布局通常包括一個激光源,、一個建筑平臺,、一個輸送粉末的自動系統(tǒng)、一個控制系統(tǒng)以及一些補充部件,，如滾輪,、刮刀等。高強度激光束的移動和聚焦由光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)監(jiān)控，該系統(tǒng)包括電流鏡和平場聚焦透鏡,�,？偟膩碚f，通過LPBF生產(chǎn)零件的各個階段可分為以下幾類：（i）在CAD軟件中設(shè)計和建模要生產(chǎn)的3D零件,，然后以規(guī)定的層厚將模型切成所需的層數(shù),。（ii）將基板固定在構(gòu)建平臺上，這是沉積層的基準(zhǔn)面,。（iii）將構(gòu)建室移動到保護性氣體中,，主要是氮氣和氬氣，以最小化表面氧化的風(fēng)險,。（iv）根據(jù)預(yù)定義的層厚度,，將第一層鋪展在構(gòu)建平臺上。（v）然后,，激光器以預(yù)定路徑掃描粉末床,，以按照CAD軟件和設(shè)計的模型的命令制造逐層形狀。（vi）降低建筑平臺并重復(fù)最后兩個步驟,，即鋪展粉末床并多次掃描,，直到生產(chǎn)出成品零件。LPBF機的部件如圖5所示,。

圖5典型LPBF機器示意圖,。

在LPBF中，粉末顆粒通過以激光束形式提供的熱量完全熔化成焊珠,，這與焊接工藝的原理類似。因此,，這是一種沉積焊接工藝,。LPBF過程中發(fā)生了幾種物理行為：反射、相變,、吸收,、傳熱、凝固,、化學(xué)反應(yīng),、熔融金屬的運輸或熔融金屬在熔池內(nèi)的流動。由于光能轉(zhuǎn)化為熱能而形成熔池,，最終由于表面張力,，熔池采用圓形或分段圓柱體的形狀。由于粉末床和激光器之間的相互作用時間非常短,，形成了溫度高達105OC的瞬態(tài)溫度場,，隨后，在冷卻速度高達106-108OC/s的情況下，也發(fā)生了快速淬火效應(yīng),�,？焖倌�固的結(jié)果是建立非平衡冶金現(xiàn)象，如細化微觀結(jié)構(gòu),、固溶體硬化和亞穩(wěn)相的生成,，這可以改善生產(chǎn)零件的機械性能。

LPBF方法的主要目的是制造完全致密的零件,。獲得這種結(jié)果的困難在于,，LPBF過程中沒有任何機械壓力，流體動力學(xué)也僅受重力和毛細力控制,。缺乏機械壓力會導(dǎo)致元素在凝固過程中溶解,，從而導(dǎo)致軌道不連續(xù)熔化，并產(chǎn)生不良和不均勻的表面,。LPBF過程中材料經(jīng)歷的熱波動的高度變化增加了快速凝固層中的殘余應(yīng)力,。由于非常高的加熱和冷卻速率，熱影響區(qū)（HAZ）在熔池周圍產(chǎn)生,。該熱影響區(qū)可改變材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分,，從而控制所生產(chǎn)零件的質(zhì)量。處理參數(shù)可以在任何時刻控制熱行為,。這些是圖案填充間距,、層厚度、掃描速度,、激光功率和掃描策略,。圖6顯示了LPBF工藝中的工藝參數(shù)。所選參數(shù)允許粉末完全熔化并與前一層完全融合,。這些參數(shù)的不當(dāng)選擇可能會導(dǎo)致不希望的影響,，如熱裂紋、成球和孔隙度,，或指示其他不希望的效果,。因此，必須在這些參數(shù)和輸出結(jié)果之間建立關(guān)系,，以優(yōu)化處理參數(shù)以實現(xiàn)期望的結(jié)果,。

圖6 LPBF處理參數(shù)示意圖。

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