粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（7）

來(lái)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(guò)程中常見(jiàn)的缺陷/異常及其形成機(jī)制,。本文為第七部分,。

4.6飛濺和剝蝕
金屬飛濺是激光粉末床聚變?cè)霾闹圃熘辛硪环N極不理想的現(xiàn)象,。當(dāng)激光束掃描粉末床時(shí)，一些熔融金屬液滴可能會(huì)直接從熔池中噴射出來(lái),。當(dāng)它們相互碰撞或與冷的未加工粉末顆粒碰撞時(shí),，可以通過(guò)聚結(jié)或燒結(jié)產(chǎn)生較大且不規(guī)則的團(tuán)簇。在微觀尺度上,，金屬飛濺尤其指那些熔融金屬液滴從熔池中噴出,；在宏觀尺度上，很難將這種熔融金屬液滴與眾多的粉末顆粒和團(tuán)簇區(qū)分開(kāi)來(lái),，因此金屬飛濺通常指的是沿激光路徑噴出的任何顆粒,。這些噴射出的顆粒在成分、微觀結(jié)構(gòu)和形貌方面與原始進(jìn)料不同,，這給粉末再涂層和回收帶來(lái)了問(wèn)題,。例如，如圖55所示,，當(dāng)大而不規(guī)則的顆粒由于表面粗糙和流動(dòng)性差而落回到粉末床上時(shí),，在這些顆粒局部和周?chē)�鋪上第二層粉末后，粉末床將不均��,，可能�?huì)有一些間隙,。打印后，這些間隙可能會(huì)缺少熔合孔隙,，并大大降低打印件的疲勞壽命,。

圖55 金屬飛濺的負(fù)面影響：（a）俯視圖和（b）從單個(gè)軌道上拍攝的側(cè)面圖，顯示軌道上燒結(jié)的固化液體飛濺,。（c） L-PBF處理的AlSi10Mg的光學(xué)顯微照片顯示,，飛濺物導(dǎo)致熔接孔缺失。

對(duì)LPBF工藝的非原位研究表明,，在激光掃描速度變化期間(如在激光轉(zhuǎn)彎點(diǎn)),，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致金屬?gòu)谋砻嬲舭l(fā)增加，從而形成深的鎖孔凹陷,。在激光掃描速度變化期間（例如在激光轉(zhuǎn)彎點(diǎn)處）過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致金屬?gòu)谋砻嬲舭l(fā)增加,，從而導(dǎo)致形成深鎖孔凹陷。鎖孔凹陷不穩(wěn)定,，可以坍塌以將惰性保護(hù)氣體（如氬氣）捕獲在基底內(nèi)的孔隙中,。然而,，直接觀察這些孔隙的形成動(dòng)力學(xué)已被證明是難以捉摸的,，因?yàn)槿魏慰尚械谋O(jiān)測(cè)技術(shù)都必須在十微秒左右的時(shí)間尺度上探測(cè)地下微米級(jí)的動(dòng)態(tài)，以捕獲與過(guò)程相關(guān)的現(xiàn)象,。高速原位透射X射線成像是一種新興技術(shù),，用于在LPBF處理過(guò)程中探測(cè)地下現(xiàn)象,。該技術(shù)提供的信息與大量描述使用高速原位光學(xué)探頭的LPBF過(guò)程物理的文獻(xiàn)相輔相成。并已應(yīng)用于多種材料和LPBF加工條件,，了解飛濺物的物理特性和無(wú)支撐懸垂區(qū)域的熔池動(dòng)態(tài),。然而，關(guān)鍵的地下信息,，如典型加工條件下的孔隙形成機(jī)制和熔池幾何形狀,，非常適合通過(guò)原位X射線成像進(jìn)行研究，仍然相對(duì)未被探索,。

描述激光轉(zhuǎn)彎點(diǎn)條件和實(shí)驗(yàn)配置,。

2017年，Ly等人提出了裸SS316L板金屬飛濺的超高速可見(jiàn)光成像和有限元建模,。如圖56（a）所示,，在掃描連續(xù)波激光束下，前鎖孔壁上的溫度較高,。溫度越高,，蒸發(fā)越強(qiáng)烈，反沖壓力越高,，熔融液體被擠出和加速的速度越快,。

圖56 （A）裸露SS316L板的前鎖孔邊緣上強(qiáng)烈的蒸發(fā)誘發(fā)金屬飛濺。（a-c）使用超高速可見(jiàn)光成像記錄的三個(gè)實(shí)驗(yàn)快照,。（d-g）模擬三個(gè)快照,。（B）后鎖孔邊緣金屬飛濺的圖示。

前鎖孔邊緣飛濺的形成與前鎖孔壁的平均溫度密切相關(guān),，后鎖孔邊緣的飛濺主要由后鎖孔壁附近的熔體流動(dòng)和從前鎖孔壁噴出的蒸汽射流控制,。這兩種機(jī)制是獨(dú)立的，但有一些相似之處：（1）小孔壁溫度是飛濺形成的關(guān)鍵,；（2）小孔壁溫度限制飛濺速度,；（3）飛濺物沿著鑰匙孔邊緣噴出。

2019年,，Zhao等人揭示了掃描連續(xù)波激光束下金屬飛濺的新機(jī)制——前鎖孔壁上舌狀突起的大量爆炸導(dǎo)致鎖孔邊緣形成熔融金屬韌帶,，隨后產(chǎn)生飛濺。這一發(fā)現(xiàn)基于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源的超高速同步輻射x射線成像技術(shù),，該技術(shù)于2017年首次用于監(jiān)測(cè)金屬增材制造過(guò)程,。

激光開(kāi)啟后不久就存在最高溫度梯度。對(duì)于200 W的激光功率和1.5 m/ s的激光掃描速度,，在激光打開(kāi)后,，表面熔池形狀在約～225 μs處沉降為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（見(jiàn)下圖）。觀察到熔池的寬度沿凝固軌道波動(dòng)。另一方面,，熔體深度增加,，直到它更早地穩(wěn)定在～100 μs。

顯示表面溫度演變的時(shí)間快照,。

如圖57所示,，在t2時(shí)，鎖孔水平中心周?chē)�形成舌狀突起（P）,，其頂面上有一個(gè)迷你鎖孔,。形成這種獨(dú)特突起結(jié)構(gòu)的一個(gè)必要條件是小孔形態(tài)從典型的“J”形轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蛉�角形（RTS），這會(huì)產(chǎn)生朝向前小孔邊緣的定向蒸汽羽流碰撞,，并支持小突起結(jié)構(gòu)從底部在前壁上生長(zhǎng),。這種舌頭狀突起隨后在大約一微秒內(nèi)塌陷，就像一次大爆炸,。結(jié)合直接實(shí)驗(yàn)觀察,、定量圖像分析和數(shù)值模擬，

圖57掃描連續(xù)波激光束下大塊爆炸誘發(fā)金屬飛濺的圖示,。在t1,，形成一個(gè)反向三角形形狀（RTS）的鑰匙孔。t2時(shí),，鎖孔水平中心周?chē)�形成舌狀突起（P）,，其頂面上有一個(gè)小鎖孔。t3時(shí),，出現(xiàn)薄的熔化韌帶（Lig）,。

與開(kāi)始提到的兩種金屬飛濺形成機(jī)制不同，整體爆炸概念主要在幾個(gè)方面有所不同：（1）舌狀突起結(jié)構(gòu)的形成是飛濺形成的關(guān)鍵,，而不是鎖孔壁溫度,；（2）飛濺速度不受鎖孔壁溫度的限制，而是由突出物爆炸釋放的動(dòng)量決定,，因此飛濺速度可能非常高,；（3）飛濺物沿前后鎖孔邊緣噴射。

宏觀尺度上的飛濺機(jī)制,。在宏觀尺度上,，隨著粉末的存在，飛濺噴射主要由小孔的蒸汽羽流和環(huán)境氣流控制,。

鎖孔形狀主要由激光加熱條件決定,，當(dāng)局部小孔壁溫度高于沸點(diǎn)時(shí)，金屬蒸汽羽流垂直于局部沸騰的小孔表面發(fā)射,。如圖58所示,，在高激光加熱條件下,，小孔又深又窄，蒸汽羽流發(fā)射主要受壁面垂直方向的限制,，當(dāng)出現(xiàn)粉末顆粒時(shí),，飛濺幾乎垂直上升,；而在低激光加熱條件下,，小孔可能仍然存在，但并不深,，蒸汽羽流主要朝后,，導(dǎo)致飛濺物以與粉末存在的方向相似的方向飛行。此外,，前鎖孔邊緣處突起結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸汽羽流[48],。如圖59中的x射線圖像所示～152μs，在前鎖孔邊緣形成突起,。這種突起結(jié)構(gòu)的形成可以大大增加局部激光吸收,。因此，從其上表面蒸發(fā)的更強(qiáng)烈會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的蒸汽羽流,，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的蒸汽壓力場(chǎng),，從而推動(dòng)其中的飛濺物（以及粉末顆粒（如果存在））加速。

圖58 存在粉末時(shí)蒸汽羽流驅(qū)動(dòng)的金屬飛濺,。

圖59 前鎖孔邊緣處突起結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽羽流噴射的影響,。

除了匙孔壁發(fā)出的金屬蒸汽羽流外，環(huán)境氣流也是金屬飛濺的另一個(gè)關(guān)鍵因素,。如圖60所示,，在高壓下，金屬蒸汽射流和伯努利效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的氣流傾向于導(dǎo)致向內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)和較少的顆粒噴射,；在低壓下,，剝蝕作用更加明顯，噴出更多顆粒,。

圖60環(huán)境氣體壓力對(duì)粉末噴射的影響,。

因此，PBF過(guò)程中飛濺（粉末飛濺和/或液滴飛濺）的形成不僅影響微觀結(jié)構(gòu),，也影響零件質(zhì)量和性能,。與未經(jīng)處理的粉末相比，飛濺物通常會(huì)增加D90和粒度分布,，顯示出不同的表面特征和化學(xué)性質(zhì),。此外，它們?cè)黾恿薃M零件的表面粗糙度,，這對(duì)疲勞和抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能有不利影響,。因此,，分析回收粉末并確保其微觀結(jié)構(gòu)和性能至關(guān)重要。

4.7.殘余應(yīng)力,、開(kāi)裂和分層

殘余應(yīng)力,。在AM零件制造過(guò)程中，它可以在微觀和宏觀尺度上發(fā)生,。微尺度上的殘余應(yīng)力可能由伴隨著某些相變（如馬氏體相變）的材料體積變化直接引起,，也可能由放熱或吸熱相變的熱效應(yīng)間接引起。AM部件中宏觀殘余應(yīng)力的出現(xiàn)可以用Mercelis和Kruth的熱梯度機(jī)制（TGM）（圖61（a,，b））來(lái)解釋?zhuān)�也可以用最初為熔焊開(kāi)發(fā)的三桿框架模型（圖61,，c，d）來(lái)描述,。

圖61 AM殘余應(yīng)力演化的熱梯度機(jī)制（TGM）,。

三桿框架模型如圖61（c，d）所示,，其中三根長(zhǎng)度相等的桿件,，只有中間桿件經(jīng)歷快速的冷熱循環(huán)，兩端有兩個(gè)剛性塊,，以迫使三根桿件在冷熱循環(huán)期間連接,。在AM中，沉積軌道和相鄰材料類(lèi)似于中間桿,，遠(yuǎn)離沉積位置的冷基板類(lèi)似于兩個(gè)剛性側(cè)桿,。

AM殘余應(yīng)力建模有四大挑戰(zhàn)：

(1)首先是在建模方案中包含所有相關(guān)AM物理現(xiàn)象。AM殘余應(yīng)力模擬通常在細(xì)觀和宏觀尺度上進(jìn)行,，其中粒子層被視為具有均勻特性的連續(xù)體,，以降低計(jì)算成本。然而,，這妨礙了直接模擬熔池演化過(guò)程中的一些重要物理現(xiàn)象,，包括激光濺射、蒸發(fā),，甚至小孔形成,。此外，如前所述,，大多數(shù)AM殘余應(yīng)力模擬都是熱應(yīng)力耦合模型,，而流體流動(dòng)建模往往被忽略，這反過(guò)來(lái)又排除了與熔池流體動(dòng)力學(xué)有關(guān)的物理現(xiàn)象,，如Marangoni流,。

(2)局部化域和全球域在空間時(shí)間尺度上存在巨大差異。AM殘余應(yīng)力建模需要解決AM零件規(guī)模和整個(gè)構(gòu)建過(guò)程中大型全局域內(nèi)激光光斑大小和熔池凝固時(shí)間順序的分辨率問(wèn)題,。因此,，為了在模型分辨率和生產(chǎn)率之間取得合理的平衡,，需要仔細(xì)考慮網(wǎng)格設(shè)置。

(3)是處理熱現(xiàn)象的非線性效應(yīng)和材料特性的溫度依賴(lài)性,。Criael等人對(duì)L-PBF工藝的FEA熱建模的材料特性進(jìn)行了敏感性分析,，結(jié)果表明，模擬結(jié)果對(duì)反射率,、導(dǎo)熱系數(shù),、密度和比熱的變化具有高度敏感性，但對(duì)潛熱,、發(fā)射率和傳熱系數(shù)的敏感度最小,。這表明了在AM殘余應(yīng)力模型中為高靈敏度特性采用精確的溫度依賴(lài)值的重要性,，因?yàn)檫@些特性的近似常數(shù)輸入很可能在很大程度上影響模擬精度,。

(4)最后是耗時(shí)的熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。熱測(cè)量通常是通過(guò)熱電偶或熱像儀進(jìn)行的,，據(jù)報(bào)告,，這些測(cè)量存在測(cè)量精度中等的問(wèn)題。中子衍射和鉆孔通常用于殘余應(yīng)力測(cè)量,。前者可以提供全面的應(yīng)力表征,，但需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置。后者是一種簡(jiǎn)單得多的實(shí)驗(yàn)方法,，但它只能捕獲局部應(yīng)力分布,。

開(kāi)裂和分層。如前所述,，AM零件中的殘余應(yīng)力是零件開(kāi)裂和分層敏感性的控制因素,。焊縫開(kāi)裂有三種類(lèi)型，即凝固開(kāi)裂,、液化開(kāi)裂和應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂,。由于AM和焊接的相似性，可以采用這種分類(lèi)來(lái)區(qū)分AM中的裂紋,。這三種類(lèi)型的裂紋與不同的開(kāi)裂機(jī)制有關(guān),，可以通過(guò)圖62所示的某些微觀結(jié)構(gòu)證據(jù)加以區(qū)分。

圖62 AM零件分層和不同類(lèi)型AM裂紋的典型微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),。

最近,，Hojjatzadeh等人觀察到，在激光熔化Al6061基板期間,，先前構(gòu)建的層內(nèi)的裂紋形成了孔隙,。從DXR圖像中可以觀察到，當(dāng)熔池遇到裂紋時(shí),，孔洞從裂紋中成核,、長(zhǎng)大并釋放出多個(gè)球形孔洞,。腔室中的惰性氣體被認(rèn)為是裂紋中氣體的主要來(lái)源。激光掃描時(shí),，熔池包圍了較大的裂紋區(qū)域,，氣孔逐漸以球形（孔隙）形態(tài)分離到熔池中（圖63）。

圖63 Al6061基板激光熔化期間裂紋形成的孔隙,。

4.8.表面光潔度和粗糙度

通常,，金屬粉末AM零件中的粗糙表面被確定為（1）部分或非熔化粉末粘附的結(jié)果，以及（2）自由表面上形成彎月面（例如“表面波紋”）的結(jié)果,。這如圖64所示,，適用于E-PBF合金718可以很容易地觀察到，輪廓區(qū)域在金屬AM加工過(guò)程中經(jīng)歷了飛濺,、成球,、冷凝形成和熔池行為的復(fù)雜關(guān)系。

圖64 輪廓區(qū)域電子束熔化期間發(fā)生的各種競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象的示意圖,，導(dǎo)致在竣工金屬AM表面上觀察到表面粗糙度特征,。

Solberg等人表明，當(dāng)角度從0°增加到135°時(shí),，附著到表面的顆粒數(shù)量增加,，并且在下表皮表面（90-135°），表面粗糙度顯著增加（見(jiàn)圖65）,。此外,，Triantaphylou等人還研究了掃描策略產(chǎn)生的多方向紋理的影響，這些紋理和激光路徑變化導(dǎo)致零件在某些方向上發(fā)生變形,，而其他方向的變形會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度,。

圖65 LPB馬氏體時(shí)效鋼300合金的（a）側(cè)視圖和（b）頂視圖的顯微圖像。（c）根據(jù)構(gòu)建方向指示樣本方向的示例,。

最近向面形貌特征化的轉(zhuǎn)變正在推動(dòng)基于一系列技術(shù)的光學(xué)測(cè)量設(shè)備的采用,。金屬部件AM表面最常用的光學(xué)技術(shù)是聚焦變化顯微鏡（占所研究文獻(xiàn)的11%）和共聚焦顯微鏡（11%）。這兩種技術(shù)都可能受到所測(cè)量的典型地形的高度不規(guī)則性的挑戰(zhàn),，但采集時(shí)間（至少在單個(gè)視場(chǎng)上）明顯少于光柵掃描技術(shù),。相干掃描干涉測(cè)量，通常稱(chēng)為垂直掃描干涉測(cè)量或白光干涉測(cè)量,，較少使用（7%的已檢查文獻(xiàn)）,，因?yàn)楦叨炔灰?guī)則的AM表面在局部斜率和粗糙度的垂直尺度方面存在測(cè)量困難。同樣,，鑒于大多數(shù)AM金屬表面的高度不規(guī)則性,，AFM很少被使用，無(wú)論是用于測(cè)量（垂直）范圍限制,，還是因?yàn)槭謱?xiě)筆損壞的風(fēng)險(xiǎn),。大多數(shù)參與AM表面表征的研究人員將使用某種類(lèi)型的常規(guī)2D成像,，主要是SEM（通常是二次電子模式）（11%）和光學(xué)顯微鏡（7%）。由于無(wú)法在垂直（高度）方向上提供定量信息,，2D成像技術(shù)在定量表面紋理測(cè)量中的用途有限,。

因此，2D成像通常用于定性表面研究,，盡管在某些情況下,，一旦校準(zhǔn)，這些儀器就已被用于圖像平面的定量測(cè)量,。盡管在所研究的文獻(xiàn)中很少使用,，并且最初基于剖面參數(shù)數(shù)據(jù)的提取，但X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）具有潛在的潛力,，因?yàn)橥ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法,，可以從體積數(shù)據(jù)中提取表面信息，而不受垂直壁和底切的限制,。與視線或接觸式測(cè)量系統(tǒng)相比,，XCT最顯著的優(yōu)勢(shì)是可以從增材制造組件的內(nèi)表面提取表面數(shù)據(jù),。面表面參數(shù)（根據(jù)ISO 25178-2）現(xiàn)已從AM分量的XCT體積數(shù)據(jù)中提取,。廣泛采用XCT作為測(cè)量AM部件表面的手段的主要障礙在于目前測(cè)量的空間分辨率較差，并且缺乏對(duì)計(jì)量性能和誤差源的完整理解,，這是正確校準(zhǔn)表面提取算法（主要基于閾值/邊緣檢測(cè)）所必需的,。

SLM A1Si10Mg零件頂部表面的焦點(diǎn)變化假顏色高度圖，顯示各種尺寸的特征,。

此外,，熔池?cái)嚢鑼?dǎo)致飛濺粉末的形成，通過(guò)形成球體和表面氣孔導(dǎo)致表面粗糙（圖66）,。因此,，采用了Yadroitsev等人、Michopoulos等人和Meier等人提出的分析建模和FEA技術(shù),，以分析金屬粉末床AM中多種材料和工藝方法的工藝變量變化對(duì)表面粗糙度特性的影響,。

圖66 （A）孔隙率面積分?jǐn)?shù)和（B）平均表面粗糙度作為粉末層厚度的函數(shù)。（C） SEM顯微照片和（D）高速成像顯示了L-PBF加工零件表面的粉末激光相互作用,，層厚在20至100μm之間,。功率和速度分別固定為400 W和2400 mm/s。

后期處理,。如前所述,，金屬粉末層AM零件由于兩個(gè)主要原因而具有表面粗糙度特征：（1）部分熔化的粉末顆粒和（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型與切片策略之間不匹配產(chǎn)生的階梯效應(yīng)。因此,，使用后處理技術(shù)來(lái)降低表面粗糙度通常用于金屬AM材料,。大體上,，所采用的最常見(jiàn)的表面處理是：（1）表面研磨/機(jī)加工/拋光，例如通過(guò)機(jī)械,、化學(xué)處理和/或激光處理,、（2）噴丸、（3）熱處理和（4）涂層,。需要指出的是,，盡管熱等靜壓（HIP）工藝通常用于后處理，但HIP工藝僅能成功封閉內(nèi)部缺陷/孔隙,，因此對(duì)表面粗糙度的影響可以忽略,。經(jīng)過(guò)HIP處理的金屬AM試樣仍然具有粗糙的表面，這在縮短疲勞壽命方面起著關(guān)鍵作用,。根據(jù)觸針錐角和針尖半徑,，可以限制對(duì)深、隱藏或半隱藏表面特征的訪問(wèn),，例如懸垂或折返點(diǎn)（例如圖67）,。

圖67采用橫截面光學(xué)顯微鏡觀察L-PBF Ti-6Al-4V試樣中的缺口狀表面缺陷。

4.9.產(chǎn)生缺陷的冶金因素

在粉末床熔煉AM過(guò)程中,，可能會(huì)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)不均勻（柱狀晶粒和偏析）,、雜質(zhì)以及粉末材料或制件中合金元素的損失。由于熔池溫度較高,，合金元素很可能發(fā)生汽化,，從而導(dǎo)致竣工零件的成分變化和不均勻微觀結(jié)構(gòu)。這些變化將影響材料性能,，如腐蝕和機(jī)械性能,，這些性能對(duì)于高質(zhì)量產(chǎn)品和敏感工業(yè)應(yīng)用（如航空航天和核電站）至關(guān)重要。

圖68（a）中可以看到一個(gè)例子,，觀察到高密度的位錯(cuò)沿著樹(shù)枝狀邊界堆積,。對(duì)于延展性較差的合金，裂紋最終會(huì)產(chǎn)生并擴(kuò)展,，以釋放殘余應(yīng)力（圖29）,。此外，在凝固過(guò)程中,，固體網(wǎng)絡(luò)限制了液體的自由流動(dòng),，因此液體不能在聯(lián)鎖枝晶之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這將導(dǎo)致形成孔隙,，為裂紋萌生提供額外機(jī)會(huì),。

圖68 （a）顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)的L-PBF處理的竣工CM247LC橫截面的選定區(qū)域亮場(chǎng)透射電子顯微鏡顯微照片。（b）掃描電子顯微照片顯示通過(guò)電弧焊接處理的IN738LC中存在液化裂紋。

圖69顯示了L-PBF和E-PBF處理的合金718中的氧化物,。由于與L-PBF相比,，E-PBF的固化速度相對(duì)較低，可以看出E-PBF樣品中形成了較大的氧化物,。此外,，根據(jù)圖69所示的透射電子顯微照片分析，發(fā)現(xiàn)Nb/Ti相在氧化物顆粒的表面上成核,。當(dāng)E-PBF樣品的凝固速度較低時(shí),，Nb/Ti相包圍了整個(gè)氧化物，從而形成了核殼結(jié)構(gòu),。

圖69 （a,，b）掃描電子顯微照片，顯示了通過(guò)L-PBF和E-PBF工藝處理的合金718的微觀結(jié)構(gòu),。注意,，黑色顆粒是氧化物。（c）示意圖顯示了L-PBF（又稱(chēng)選擇性激光熔煉,，SLM）和E-PBF（又名電子束熔煉,，EBM）工藝中的冷卻速度，其中,，由于冷卻速度快,，L-PBF零件中形成了細(xì)氧化鋁，而E-PBF零件內(nèi)形成了由Ti/Nb包圍的粗氧化鋁顆粒,。（d,，e）采用L-PBF和e-PBF工藝處理的718合金所選區(qū)域的TEM顯微照片和EDS元素圖。

圖70說(shuō)明了沿晶界凝固裂紋的形成機(jī)制,。由于微量元素的偏析，微量元素在晶界的高濃度可降低合金的熔化溫度,。當(dāng)熱源通過(guò)并熔化粉末時(shí),，靠近晶界的合金將保持液態(tài)并生成一層薄液膜。由于這種液膜不能吸收凝固收縮,，晶界最終會(huì)分離并產(chǎn)生裂紋,，以補(bǔ)償巨大的殘余應(yīng)力。

圖70 （A）凝固裂紋沿晶界擴(kuò)展的示意圖,。高濃度鋯（紅色區(qū)域）液膜覆蓋了晶界處的枝晶,；液膜不能吸收導(dǎo)致AM零件應(yīng)變的凝固收縮；晶界分離,。（B） SEM顯微照片顯示,，裂紋位于熔化極表面，在開(kāi)放表面具有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。

最近,，Hojjatzadeh等人觀察到鋁及其合金（例如,，純鋁和AlSi10Mg）激光熔煉過(guò)程中，熔池熔解邊界沿線形成孔隙,，如圖71所示,。他們推測(cè)，這種類(lèi)型的孔隙可能是由于揮發(fā)性雜質(zhì)蒸發(fā)或材料中微小捕獲氣體膨脹而形成的,。因此,，假設(shè)該孔隙形成取決于材料。

圖71 鋁合金激光熔煉過(guò)程中熔池邊界的孔隙形成,�,？紫兑渣S色虛線圓圈顯示，熔池邊界以紅色虛線顯示,。

Moylan建議結(jié)合使用平均粗糙度（Ra或Sa）平均粗糙度深度（Rz或Sz）,，偏度（Rsk或Ssk）和峰度（Rku或Sku）來(lái)表征AM表面。Ssk 和 Sku 是 Rsk 和 Rku 的面對(duì)應(yīng)物,，分別是高度概率分布的三階和四階矩,。在特定配置中，Sku和Ssk可以提供峰值或凹坑的相對(duì)優(yōu)勢(shì)的指示,，以及高度分布與高斯分布之間的關(guān)系,。同樣，Sz 是 Rz 的對(duì)應(yīng)物,，即比例限制表面的最大高度,。下圖顯示了使用Sa值（a–c）進(jìn)行振動(dòng)精加工和磁珠爆破之前和之后的SLM Ti6Al4V樣品區(qū)域的示例，以及磁珠爆破后表面（d）的SEM圖像,。

Ti6A14V 標(biāo)配部件焦點(diǎn)變化假彩色高度圖,，（a）無(wú)處理，Sa 21 μm,，（b）后磁珠拋丸,，Sa 10 μm，（c）振動(dòng)后精加工,，Sa 12 μm,。（d）噴砂后表面的掃描電鏡圖像。

來(lái)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.