激光粉末床熔覆金屬中孔隙率的形成、評(píng)估和影響

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，《Opto-Electronic Advances》的新出版物討論了通過(guò)激光粉末床熔煉額外制造的金屬中孔隙度的形成、評(píng)估和影響。

論文大綱。（a） LPBF打印金屬中的兩類孔隙及其形態(tài)特征；（b）打印金屬的拉伸性能與孔隙率之間的關(guān)系；以及（c）潛在的研究機(jī)會(huì)。

增材制造（AM）技術(shù)，也稱3D打印，是制造技術(shù)領(lǐng)域的一顆新星。AM技術(shù)以直接從數(shù)字模型中解除設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品的幾何約束而聞名。材料在AM加工過(guò)程中被“添加”，使其成為與傳統(tǒng)的減法和成形制造相對(duì)立的顯著特征。各種材料，包括金屬、金屬間化合物、聚合物、陶瓷和復(fù)合材料，都可以增材制造。

激光粉末床熔煉（LPBF，又稱選擇性激光熔煉）是一種基于粉末床的AM技術(shù)，是激光工程的一個(gè)新分支。使用LPBF可以以優(yōu)異的質(zhì)量和精度成型大量的金屬材料，最近吸引了大量的研究和工業(yè)興趣。然而，LPBF印刷金屬的缺陷一直是應(yīng)用中長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)打印偏離其優(yōu)化范圍時(shí)，會(huì)形成缺陷。氣孔、未熔合（LOF）、不良夾雜物（例如未熔合顆粒）和裂紋是LPBF印刷金屬產(chǎn)品中常見(jiàn)的缺陷。對(duì)缺陷和相關(guān)機(jī)械效應(yīng)的研究對(duì)于LPBF印刷金屬產(chǎn)品的鑒定和應(yīng)用至關(guān)重要。

LPBF處理示意圖。

作為一種危害較小但最普遍、難以消除的缺陷，孔隙率對(duì)LPBF印刷產(chǎn)品的性能有重大影響。如何闡明孔隙度的形成過(guò)程并有效抑制它？如何正確測(cè)量和評(píng)估孔隙度？孔隙率對(duì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)金屬的機(jī)械性能有哪些主要影響？本文的目的和范圍是為上述問(wèn)題提供最新的答案。在最近和經(jīng)典文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，向讀者介紹了LPBF印刷金屬中孔隙率的一站式通用解釋，以及詳細(xì)的數(shù)值分析。

本文從孔隙度的形成和評(píng)價(jià)入手。第一部分闡述了兩種孔隙度（氣體孔隙度和LOF孔隙度）的形成機(jī)制。綜述了近年來(lái)利用先進(jìn)的顯微CT和同步輻射X射線成像技術(shù)進(jìn)行的研究，以展示其形成過(guò)程。此外，還討論了孔隙度的關(guān)鍵描述符和四種主流測(cè)量/評(píng)估技術(shù)，以分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。此外，還詳細(xì)研究了拉伸和循環(huán)載荷條件下孔隙率的影響和臨界指標(biāo)。

LPBF打印金屬中檢測(cè)到的（a）氣體孔隙度和（b）LOF孔隙度的代表性橫截面和3D重建。（b）中的虛線圓圈表示未熔化的原料粉末。

回顧了200多項(xiàng)研究工作，介紹了LPBF印刷金屬中孔隙率影響的力學(xué)概念、數(shù)值模型、模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)觀察。介紹了LPBF打印Ti-6Al-4V合金、316L鋼、Inconel 718合金和AlSi10Mg合金的豐富拉伸性能。孔隙度的可接受程度隨特定金屬的延展性而波動(dòng)。因此，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，提出了原始統(tǒng)計(jì)模型，以建立四種代表性金屬的孔隙率與拉伸性能之間的相關(guān)性。彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變的擬合方程可以簡(jiǎn)單地基于孔隙率值快速估計(jì)關(guān)鍵力學(xué)性能。

代表性的3D重建圖(a) Ti - 6Al - 4V樣品孔隙分布和(b)特定孔隙視圖。

討論抑制孔隙度形成的三類方法，旨在為工程應(yīng)用提供進(jìn)一步的幫助。在最后一部分，本文總結(jié)了AM社區(qū)當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)和一些懸而未決的成果。隨著物理理論和模型的發(fā)展，孔隙度的形成可以精確控制，甚至可以在未來(lái)使用改進(jìn)的設(shè)備就地消除。LPBF印刷金屬中的孔隙率甚至可以被有意用于實(shí)現(xiàn)特定功能。總之，本文回顧了近期和經(jīng)典研究，闡明了孔隙度的關(guān)鍵概念，并提出了具有顯著工程意義的原始數(shù)值模型。AM技術(shù)目前發(fā)展迅速。在這一點(diǎn)上，本文對(duì)LPBF打印金屬中孔隙率的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的、最新的綜述。它應(yīng)該引起研究界和AM行業(yè)的興趣。

X射線CT局限性的對(duì)比說(shuō)明。（a）LOF孔隙的顯微圖像；（b）用X射線CT和阿基米德法檢測(cè)的孔隙的比較；以及（c）通過(guò)CT和共焦顯微鏡（CM）檢測(cè)的316L樣品中相同橫截面的比較。

來(lái)源：A review and a statistical analysis of porosity in metals additively manufactured by laser powder bed fusion. Opto-Electron Adv 5, 210058 (2022). doi: 10.29026/oea.2022.210058