粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（4）

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過程中常見的缺陷/異常及其形成機(jī)制。本文為第四部分,。

3.粉末相關(guān)缺陷
粉末的形態(tài),、平均尺寸、粒度分布,、粉末流動(dòng),、堆積密度,、粉末孔隙率和表面污染等不同的粉末特性會(huì)影響最終AM零件的質(zhì)量。球形粉末是AM工藝的首選,，因?yàn)榭梢垣@得更高的粉末堆積密度和更好的粉末流動(dòng),。低填料密度會(huì)導(dǎo)致AM零件內(nèi)部出現(xiàn)空隙。根據(jù)AM工藝,，粉末的平均尺寸和尺寸分布可能有所不同,。通常，原料粉末中的內(nèi)部空隙可以轉(zhuǎn)移到AM零件上,，并且在打印過程中很難去除它們,。此外，粉末成分,、雜質(zhì)和夾雜物與原料材料可能會(huì)轉(zhuǎn)移到最終零件,，從而降低機(jī)械性能和耐腐蝕性。因此,，有必要評(píng)估潛在的粉末相關(guān)缺陷和補(bǔ)救措施,，以提高建造質(zhì)量。

根據(jù)環(huán)境壓力,，對(duì)9條重疊激光軌跡的顯微照片（a）和共焦高度圖（b）進(jìn)行合成,。

過去已經(jīng)研究了剝蝕對(duì)多個(gè)重疊軌道產(chǎn)生的沉積圖案的影響，并且在考慮完整的增材制造工藝時(shí)是相關(guān)的,。在上圖中展示了不同環(huán)境壓力的多種軌道模式,，軌道重疊為～30%，激光功率為225 W,，掃描速度為1.4 m/s,。圖a顯示了光學(xué)顯微照片，而圖b顯示了與圖a中的圖像相對(duì)應(yīng)的高度圖,。值得注意的是,，在裸板上的單軌實(shí)驗(yàn)以及在商業(yè)PBF系統(tǒng)中進(jìn)行的多軌道掃描中都觀察到了這種效應(yīng)。Yadroitsev等人表明,，連續(xù)掃描導(dǎo)致軌道高度的降低,，這受到艙口間距的強(qiáng)烈影響。因此,，在解釋此處（和其他地方）提供的單磁道數(shù)據(jù)時(shí),，重要的是要考慮剝蝕如何在確定最佳工藝參數(shù)和掃描策略中發(fā)揮作用。

3.1.粉末生產(chǎn)和特性

粉末床熔煉機(jī)的關(guān)鍵部件是金屬粉末原料,。它由一種或多種技術(shù)生產(chǎn),，包括氣體霧化（GA）、離心法,、等離子體旋轉(zhuǎn)電極處理（PREP）,、氫化物脫氫（HDH）,、線狀霧化和等離子體霧化（PA）。本文將討論最常用的方法,。

霧化是一種典型的粉末生產(chǎn)工藝,。該裝置包括一個(gè)真空室，其中包含熔融金屬,，通過頂部的感應(yīng)線圈加熱。真空對(duì)易氧化的金屬尤為重要,。熔融金屬通過噴嘴以同心高壓氣體流動(dòng),，導(dǎo)致熔體流破裂，表面張力導(dǎo)致粉末金屬球形微滴的形成,。產(chǎn)生的粉末金屬被收集在通常充滿氬氣甚至水的下室中,，以收集某些類型的非反應(yīng)性金屬。

錫蒸汽爆炸產(chǎn)生的多孔碎片,。

PA方法包括一個(gè)真空室,，其中包含電極，電弧通過電極產(chǎn)生等離子體,。在該階段,，系統(tǒng)的其他特征（未公開披露）導(dǎo)致粉末顆粒快速破碎,，然后收集在下室中,。PA的另一種變體是PREP，其中兩個(gè)電極用于維持電弧,。一側(cè)固定一個(gè)電極（非耗材）,，另一側(cè)是要霧化的材料（耗材）。通過旋轉(zhuǎn)電極,，液態(tài)金屬以粉末狀金屬的形式被擠壓掉,。粉末的大小與電極的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。

Rabin等分析了使用不同霧化技術(shù)產(chǎn)生的各種快速凝固粉末顆粒,，包括真空氣體霧化,、離心霧化、超聲波氣體霧化和惰性氣體霧化,。他們表明,，由于粉末顆粒中存在氣泡，氣體濃度和孔隙率都隨著顆粒尺寸的增加而增加,。這是由于霧化過程中液滴形成和凝固過程中的氣泡截留機(jī)制造成的,。重要的是，發(fā)現(xiàn)觀察到的大部分氣體都是宏觀氣體孔隙度,。一般來說,，還可以推斷出,，氣體含量和孔隙度隨著顆粒尺寸的增加而增加，因?yàn)檩^大顆粒的較大部分含有氣孔,。

Ti-6Al-4V粉末（a）GA,、（b）PREP和（c）PA）的表面顯微照片。

上圖顯示了霧化氣體（GAed）,，等離子體旋轉(zhuǎn)電極處理（制備）和等離子體霧化（PAed）Ti-6Al-4V粉末的顯微照片,，分別將其篩分成一批。有意選擇小于150μm的粒徑范圍,，適用于SEBM,，LENS和HIP工藝。霧化粉末的流動(dòng)性是使用霍爾流量計(jì)根據(jù)ASTM B213-13標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的,，而其表觀密度則根據(jù)ASTM B212-13標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表征,。使用惰性氣體融合分析儀器（Leco-Tch600）測(cè)定粉末的間質(zhì)元素含量。通過掃描電子顯微鏡（SEM,，JEOL JSM-6460）檢查霧化粉末的微觀形態(tài),。為了觀察橫截面形貌，首先將霧化的粉末安裝在環(huán)氧樹脂中,，然后在拋光后蝕刻,。在脈沖聚變質(zhì)譜儀氣體分析儀（PMA-1000）上對(duì)低于150μm或具有確定粒徑范圍的霧化粉末的氬氣含量的分析在流動(dòng)的氦氣中進(jìn)行，其最大熔化溫度為3273 K（3000°C）,。

除了霧化之外,，另一種完全不同的方法是氫化物脫氫（HDH），它與通常用于生產(chǎn)鈦的六角金屬（也包括鈮和鉭）一起工作,。在這種方法中,，將氫添加到鈦中，形成氫化物（TiH2）,，該氫化物非常脆,，很容易研磨成精細(xì)但粗糙的粉末�,？紤]到氫化物的熱不穩(wěn)定性，氫化物粉末通過加熱去除氫含量而被氧化回金屬,。

大量研究報(bào)告了通過GA，離心霧化或PREP觀察到霧化粉末中存在的內(nèi)部孔隙Ti，TiAl,，鎳基,，鋁和FeNi合金。在這些研究中,，Rabin等人首先懷疑使用“袋”液體破碎模式對(duì)孔隙形成的初步解釋,，當(dāng)時(shí)他們估計(jì)惰性氣體可能被困在液滴中并保持最終狀態(tài)。這種“借用的”液體破碎機(jī)理在流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)中得到了廣泛的研究,，同時(shí)應(yīng)該注意的是,，金屬GA過程中的材料與普通材料不同，例如,，流體力學(xué)研究中大量使用的水,。這是因?yàn)榻饘僖后w分解和快速冷卻過程同時(shí)發(fā)生，而不是水沒有經(jīng)歷快速冷卻,。

霧化粉末重建CT圖像的典型示例（a）具有球形孔隙幾何形狀的GAed粉末,，（b）具有不規(guī)則孔隙幾何形狀的制備粉末,，以及（c）具有雙球形孔幾何形狀的PAed粉末,。注意：彩色球體表示粉末中的孔隙形態(tài)。

除了用于測(cè)試粉末休止角的傳統(tǒng)漏斗試驗(yàn)外,，還提出了旋轉(zhuǎn)滾筒儀器來測(cè)量粉末的動(dòng)態(tài)特性,。該方法包括一個(gè)帶有透明壁的圓柱體，其中填充了粉末樣品,。在系統(tǒng)地改變轉(zhuǎn)速的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒,，并根據(jù)平均界面位置計(jì)算動(dòng)態(tài)休止角，同時(shí)根據(jù)界面的波動(dòng)測(cè)量動(dòng)態(tài)內(nèi)聚指數(shù),。該儀器基于基于轉(zhuǎn)鼓原理的自動(dòng)粉末流動(dòng)性測(cè)試,，因此流動(dòng)角度值越低，流動(dòng)性越好,。

在粉末床熔合增材制造技術(shù)中使用金屬粉末后,，粉末可以重復(fù)使用。重要的是要了解不同粉末的生命周期作為AM過程中降解的函數(shù),，化學(xué)成分變化（例如間隙拾�,。�，粉末流��(dòng)性,，表面污染,，表觀密度，粉末形態(tài),，球形度和尺寸分布,。此外，粉末回收對(duì)基于熔合的AM加工零件的表面粗糙度有負(fù)面影響,。通常,，粉末特性在每次使用后都會(huì)發(fā)生變化,，因此，很難確定哪些變化會(huì)影響成分特性,。此外,，不同的材料不會(huì)以相同的方式老化，相同的材料在不同的AM工藝參數(shù)下會(huì)以不同的方式老化,。航空航天,、軍事和醫(yī)療部門等行業(yè)對(duì)所生產(chǎn)的組件有非常具體的要求，因此粉末的成分差異會(huì)影響性能,。因此,，粉末降解的精確預(yù)測(cè)很難，因此很難確定金屬粉末在AM內(nèi)不再可使用的點(diǎn),。

Cordova等人比較了原始金屬粉末和使用過的金屬粉末（例如合金718,、Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和Scalmalloy）的粉末特性,。結(jié)果表明,，使用L-PBF粉末后，粉末形態(tài),、粒度分布,、粉末流動(dòng)、圓度,、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響（圖26）,。Rafieazad等人表明，AlSi10Mg原始粉末的平均粒徑為8.8±7μm,，而L-PBF處理粉末經(jīng)過五次循環(huán)后,，其粒徑增至13.7±9μm。此外,，零件孔隙率增加,，Al-Si共晶的面積分?jǐn)?shù)增加，共晶臂之間形成裂紋,。換句話說,，使用回收粉末處理的L-PBF內(nèi)部缺陷密度較高，例如孔隙率,、微觀偏析和裂紋,。由于回收粉末的平均尺寸較大且形狀不規(guī)則，導(dǎo)熱性降低,，從而導(dǎo)致熔池冷卻速度降低,，并使熔池邊界處的Si變粗。這一問題導(dǎo)致裂紋敏感性和較低的耐腐蝕性。

圖26 L-PBF中未使用粉末和使用粉末的各種特性的比較,，（A）掃描電子顯微照片和粉末粒度分布結(jié)果,，（B）顯示使用粉末中再熔化和團(tuán)聚區(qū)影響的橫截面SEM顯微照片，（C）未使用粉末與使用粉末的氧含量測(cè)量,，（D）流速,、抽頭密度、真實(shí)密度的比較,，原始粉末和使用粉末的豪斯納比和卡爾指數(shù),，（E）粉末的顆粒形狀與圓度參數(shù)。

3.2.常見金屬和缺陷

在航空航天,、汽車和生物醫(yī)學(xué)等不同行業(yè),，金屬粉末的增材制造正在迅速發(fā)展。有必要評(píng)估可有效用于基于熔合的AM機(jī)器的金屬粉末類型,。盡管基于聚變的AM技術(shù)具有高效生產(chǎn)復(fù)雜,、精確尺寸部件的潛力，但AM機(jī)器中使用的成分存在局限性,。主要原因與金屬材料在AM制造無缺陷零件過程中的可加工性和可焊接性有關(guān),。元素蒸發(fā)、氧化,、偏析,、開裂和孔隙形成是限制熔融AM工藝材料選擇的主要問題,。

粘合劑噴射本質(zhì)上是一種粉末冶金工藝,。該技術(shù)通常被稱為3DP。ExOne目前是粘合劑噴射打印機(jī)的主要制造商,。與其他基于粉末的方法一樣,，被打印的物體在粉末床內(nèi)是自支撐的，一旦完成,，就會(huì)從未結(jié)合的粉末中取出,。在粘合劑噴射過程中使用兩種材料：粉末和粘合劑。粘合劑粘合層,。雖然構(gòu)建材料是粉末形式,，但粘合劑通常是液體形式。沉積頭交替沉積構(gòu)建材料和結(jié)合材料的層,，同時(shí)沿x和y軸移動(dòng),。粘結(jié)劑噴射工藝示意圖如下圖所示。

粘合劑噴射工藝示意圖,。

在所有原料預(yù)合金中,，鎳高溫合金（主要為合金718和625）、鈦合金（主要是Ti-6Al-4V）、鋁合金（主要有AlSi10Mg和AlSi12,，以及不常見的如7075,、6061和Al-Cu-Mg）、鋼（不銹鋼,，如316,、420、17-4 PH,，工具鋼,，主要是H13）和一些其他合金，如磁性材料,、Co-Cr和W已用于粉末床熔煉AM,。雖然使用預(yù)合金原料是AM中最常見的選擇，但在PBF工藝中使用來自可用化合物的預(yù)混合粉末并進(jìn)行原位合金化是有興趣的,。元素粉末的原位合金化為難以獲得粉末的任何合金提供了廣泛的成分調(diào)整可能性,。在E-PBF中，打印前需要預(yù)熱溫度,，因此,，含有低溫熔融材料的預(yù)混合粉末可能會(huì)增加對(duì)局部熔體形成和粉末團(tuán)聚的擔(dān)憂（在Ti-6Al-4V或Al-Si預(yù)混合粉末中）。

3.2.1.鈦合金

在粉末增材制造（AM）中,，鈦合金通常指一種特殊成分Ti-6Al-4V,，它是AM生產(chǎn)中的主要合金。Ti-6Al-4V因其優(yōu)異的機(jī)械性能（高強(qiáng)度重量比）和耐腐蝕性而廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè),。由于其良好的生物相容性,，它也被用于生物醫(yī)學(xué)行業(yè)，主要用于人體假體和骨科植入物,。此外,，許多報(bào)告討論了用于AM應(yīng)用的新型鈦合金的開發(fā)和測(cè)試，如阻燃BuRTi,、損傷容限TC2,、高強(qiáng)度低密度Ti-5553和生物相容性Ti-2448。

（a,，d）選擇性激光熔融Fe-Ni-Si合金的反極圖和（b,，c）EBSD取向圖。（e） Fe-Ni-Si的磁滯曲線作為方向函數(shù),。

Kang等人探索了涂有Ni的Fe-Si粉末,，以通過使用SLM制造所述合金。激光能量輸入的變化幾乎可以消除孔隙率;然而,，由于所探索的Fe-Ni-Si成分的延展性有限,，在低孔隙率部件中出現(xiàn)了裂紋,。與印刷的Fe-Si類似，如圖14所示的極點(diǎn)圖和磁滯曲線所示,，已經(jīng)注意到磁性各向異性,。關(guān)于磁性性能，掃描速度范圍為 1 至 4 m/sHc保持恒定（～2150 A/m）,，盡管Js由于宏觀結(jié)構(gòu)特征和晶體學(xué),，減少約7%。

與其他合金類似,，如圖27所示,，可以通過氣體霧化（GA）、電子感應(yīng)熔煉-氣體霧化（EIGA）,、等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝（PREP）和感應(yīng)等離子球化（IPS）等方法制備預(yù)合金化球形Ti-6Al-4V粉末,。GA是迄今為止最具成本效益和最受歡迎的粉末生產(chǎn)工藝。然而,，不可避免地會(huì)引入截留氣體,，這些氣體可能會(huì)成為竣工AM部件的缺陷源。水霧化,、流化床和氫化物脫氫（HDH）是可以生產(chǎn)非球形鈦粉末的工藝,。如上所述，HDH工藝包括化學(xué)和機(jī)械工藝,，其中鈦合金被氫化并轉(zhuǎn)化為脆化中間階段,，從而可以有效地將原料研磨成細(xì)粉；隨后,，只需提高溫度即可完成脫氫,。雖然這些形狀不規(guī)則的粉末不需要考慮夾帶氣體，但粉末形態(tài)會(huì)使篩分過程和粉末尺寸控制變得更加困難,。其他新型粉末生產(chǎn)方法包括金屬分解或FFC®工藝,、電解方法和金屬熱工藝,。

圖27 通過（a）氣體霧化,、（b）等離子霧化、（c）等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝,、（d）–140+200 mesh HDH粉末等離子球化,、（e）粒化除氧和（f）HDH工藝（-140+200目）制造的Ti-6Al-4V粉末的掃描電子顯微圖,。

在Ti-6Al-4V合金的制造過程中,，鋁合金元素的蒸發(fā)是一個(gè)主要問題，因?yàn)樗鼤?huì)影響竣工部件的性能,。圖28顯示了通過選擇性電子束熔煉制備的竣工Ti-6Al-4V橫截面中鋁的不均勻性,。鋁的損失與能量輸入和再利用次數(shù)呈正相關(guān),。許多研究試圖使用建模方法來理解額外制造的鈦合金中的蒸發(fā)現(xiàn)象。

圖28通過電子探針微分析在E-PBF中以不同掃描速度和線能量構(gòu)建的樣品的鋁濃度,。

3.2.2.鎳基高溫合金

鎳基高溫合金是一類沉淀強(qiáng)化合金,，在高溫環(huán)境中表現(xiàn)良好。鎳基高溫合金的優(yōu)異高溫性能導(dǎo)致了此類合金在許多航空航天應(yīng)用中的應(yīng)用,。航空航天工業(yè)對(duì)粉末床聚變?cè)霾闹圃旒夹g(shù)的固有興趣推動(dòng)了對(duì)打印這些材料系統(tǒng)能力的研究,。

γ′′和γ′增強(qiáng)鎳鐵合金鉻鎳鐵合金Inconel 718具有優(yōu)異的機(jī)械性能，優(yōu)異的可焊性和相對(duì)較低的成本,，廣泛用于航空航天,，核能和石化工業(yè)。Inconel 718的鍛造版本經(jīng)常用于碟片和軸,，而鑄造版本在渦輪機(jī)框架,，箱體和其他具有大尺寸和復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于凝固過程中冷卻速度慢,，與鍛造型相比,，鑄件具有粗晶粒尺寸，樹枝狀偏析較重,，機(jī)械性能相對(duì)較差,。凝固缺陷，如收縮型腔和孔隙率,，也同時(shí)在鑄件中形成,。需要均質(zhì)化處理和熱等靜壓（HIPing）來使微觀組織均質(zhì)化，關(guān)閉內(nèi)部孔隙并提高鑄造質(zhì)量,。

（a） HIP合金的OM微觀結(jié)構(gòu),。（b） HIP合金中的晶界析出物。（c）使用{0 0 1}方向的（0 1 0）和（1/2 1 0）反射成像的HIP合金中的γ′和γ′相,。

鎳基高溫合金傳統(tǒng)上是使用粉末冶金制造技術(shù)生產(chǎn)的,，因?yàn)榕c鎳基鑄造高溫合金相比，其均勻性得到了改善,。粉末冶金用鎳基高溫合金粉末的生產(chǎn)采用了多種技術(shù),，包括氣體霧化、電極感應(yīng)熔化氣體霧化,，以及更經(jīng)典的水溶液氫還原成粉末,。氣體霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝,、水霧化和電極感應(yīng)熔化氣體霧化都是現(xiàn)代粉末床AM制造技術(shù)所用粉末生產(chǎn)的流行技術(shù),。許多鎳基高溫合金粉末可以在市場(chǎng)上買到。

現(xiàn)已開發(fā)出多種鎳基高溫合金,，用于各種用途,。合金718合金體系被認(rèn)為是鎳基高溫合金中最易焊接的合金之一,。因此，該合金的零件經(jīng)常使用E-PBF和E-PBF制造方法制造,。其他鎳基高溫合金也用于使用粉末床機(jī)器制造零件,，包括合金625、合金738,、Rene 142,、Hastelloy X、CMSX-4和Haynes 230,。

（a）直接時(shí)效合金中的晶界析出物,。（乙丙）晶界在溶液和時(shí)效合金中沉淀，溶液溫度分別為940 °C,、980 °C和1100 °C,。在（d）中可以看到孔隙。

鎳基高溫合金在焊接過程中容易開裂,。鎳基高溫合金焊縫中觀察到熱裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋,。這種開裂行為也適用于AM應(yīng)用。由于不同鎳基高溫合金之間的成分差異,，不同合金的開裂程度不同,。圖29（A）說明了不同鎳基高溫合金中鋁和鈦含量的不同如何影響焊接性。圖29（B,，C）顯示了鎳高溫合金在L-PBF過程中的開裂,。此外，氧化是鎳基高溫合金部件的潛在威脅,。鎳基高溫合金中發(fā)現(xiàn)的各種合金元素有可能形成許多氧化產(chǎn)物,。這些氧化產(chǎn)物會(huì)對(duì)鎳基高溫合金部件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。增材制造工藝容易使合金暴露在可能形成氧化物的環(huán)境中,。

圖29 （A）鎳基高溫合金中鋁與鈦含量的關(guān)系圖,。（B，C）顯示鎳高溫合金（B）CM247LC和（C）IN738LC的L-PBF中存在裂紋的顯微圖像,。

粉末表面的飛濺顆粒和氧化層在PBF過程中不斷形成,，并將改變粉末的形態(tài)、平均尺寸和粒度分布,、表面特征和流動(dòng)性等特征,。此外，熔池形狀和行為也受其影響,。在鎳合金718中，Al和Ti的合金元素具有較高的氧活性,，并在粉末顆粒表面（在飛濺粉末上,，圖30（B））或AM零件的微觀結(jié)構(gòu)或頂面中的亞微米氧化物顆粒（作為夾雜物）上形成納米TiO2和Al2O3層（圖30（D））,。Gasper等人提出飛濺形成機(jī)制為：（1）熔體噴射飛濺，（2）熱卷吸飛濺,、（3）冷噴射飛濺和（4）金屬蒸汽噴射和蒸汽羽,。結(jié)果表明，飛濺顆粒的尺寸范圍為1–273μm,，對(duì)回收粉末的尺寸分布產(chǎn)生負(fù)面影響,，粗飛濺顆粒可能會(huì)落在粉末層或打印區(qū)域,，從而導(dǎo)致生產(chǎn)缺陷,。然而，如上所述,，圖31B中所示的機(jī)制過于簡(jiǎn)單,，因?yàn)閆hao等人已經(jīng)表明，飛濺與深孔中的不穩(wěn)定流體流動(dòng)直接相關(guān),。

圖30 （A）鎳合金718的SEM顯微照片,。背散射電子SEM顯微圖像和EDS元素可以從（B）濺落的鎳合金717顆粒和（D）檢測(cè)到氧化斑點(diǎn)的L-PBF工藝合金718表面進(jìn)行分析，（C）說明激光粉末相互作用和濺落顆粒在PBF工藝過程中如何形成的示意圖,。

圖31焊接（或熔煉AM處理）鋁合金裂紋敏感性的化學(xué)成分影響,。

來源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974

參考文獻(xiàn)：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.