粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（10）

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,。本文為第十部分。

8.1.2.疲勞
眾所周知,，目前大多數(shù)AM金屬零件的疲勞性能低于鍛造零件,，這導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越關(guān)注AM零件在安全關(guān)鍵、承載應(yīng)用中的適用性,。有人認(rèn)為，疲勞損傷占所有工程失效的50%至90%,，其中大部分發(fā)生在高周疲勞或超高周疲勞狀態(tài),。因此，對(duì)AM材料在這些狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行臨界評(píng)估對(duì)于確保高水平的耐久性和圍繞運(yùn)行壽命周期進(jìn)行規(guī)劃至關(guān)重要,。疲勞失效過(guò)程包括三個(gè)階段,，即：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂,。后兩個(gè)階段與低周疲勞（LCF）下的材料更為相關(guān),。

與其他金屬基增材制造方法相比,，直接激光沉積還提供高沉積速率和相對(duì)寬的工藝窗口,，以制造更大的物品,。此外,，DLD 在加工過(guò)程中為零件提供了相對(duì)較小的熱影響區(qū)（HAZ）,、出色的密度和冶金結(jié)合,、對(duì)組件的影響最�,。ɡ缱冃�,、微裂紋）和精確的沉積——使其成為修復(fù)高價(jià)值組件的絕佳工具,。目前使用 DLD 進(jìn)行增材制造或修復(fù)的一些缺點(diǎn)是粉末效率相對(duì)較低,，并且 DLD 后表面光潔度粗糙。

激光沉積 Ti-6Al-4V 試樣的示意圖,。

AM材料的若干KIc數(shù)據(jù),，其中大部分為T(mén)i-6Al-4V,，如圖98所示。KIc與構(gòu)建方向,、表面條件和后處理?xiàng)l件存在顯著相關(guān)性[,。斷裂韌性的各向異性被發(fā)現(xiàn)部分源自LOF缺陷的存在。結(jié)果表明,，在進(jìn)行應(yīng)力消除熱處理后,，所有試樣取向下的斷裂韌性值均在合理范圍內(nèi)。這也突出了殘余應(yīng)力和后續(xù)熱處理在斷裂韌性值中的關(guān)鍵作用,。

圖98（a）常見(jiàn)AM和鍛造合金的平面應(yīng)變斷裂韌性（KIc）數(shù)據(jù)匯總,，包括Ti-6Al-4V、合金718和AlSi10Mg,。（b-c）非HTed和HTed LB-PBF Ti-6Al-4V,、（d-e）非HTed和HTed LB-PBF718合金、（f-g）非HTed-LB-PBF AlSi10Mg,。

AM Ti-6Al-4V的KIc數(shù)據(jù)豐富,，包括HT（包括HIP）和非HT條件下的L-PBF和E-PBF樣品，允許評(píng)估AM誘發(fā)缺陷的潛在影響（如有）,。如圖99（a）所示,，不同來(lái)源報(bào)告的Ti-6Al-4V（方形標(biāo)記類(lèi)型）的KIc數(shù)據(jù)似乎表明存在孔隙度的影響。在所有數(shù)據(jù)點(diǎn)中,，當(dāng)試樣的孔隙率從0.001%增加到1%時(shí),，斷裂韌性降低了5倍。如前所述,，這種變化似乎在變形數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)（黑色水平線和灰色帶表示變形數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差）,。

圖99 （a）通過(guò)L-PBF和E-PBF制造的三種金屬的平面應(yīng)變斷裂韌性（KIc）與孔隙率百分比的關(guān)系圖。（b）將Ti-6Al-4V的KIc繪制為YS的函數(shù),。

圖100（a）和圖100（b）分別顯示了疲勞誘發(fā)斷裂表面上識(shí)別的孔隙和LOF缺陷的典型示例,。圖100（a）中的孔隙可以是球形氣體截留孔隙或鎖孔。然而,，很難區(qū)分它們,，因?yàn)樗鼈冊(cè)跀嗔驯砻嫔隙际菆A形的，鎖孔的細(xì)長(zhǎng)特征可能會(huì)被掩蓋,。然而,，小孔通常比氣體截留孔大。由于存在表面粗糙度,，例如竣工試樣/零件中的粗糙度,，疲勞裂紋通常從粗糙表面上的微凹口開(kāi)始，通常超過(guò)體積缺陷的影響,。

圖100 （a）孔隙的典型示例可以是鎖孔或氣體截留的孔隙,，以及（b和c）疲勞誘發(fā)斷裂表面上的未熔合,。

微觀結(jié)構(gòu)的顯著變化以及缺陷的尺寸和形狀，導(dǎo)致AM材料的疲勞數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的分散,。如圖101所示,，在加工表面條件下，AM試樣（即僅體積缺陷）的這種可變性可能在單個(gè)構(gòu)建,、從構(gòu)建到構(gòu)建,、從機(jī)器到機(jī)器以及從AM方法到方法中引起。在金屬AM社區(qū)的三種常用合金中,，即Ti-6Al-4V,、17-4 PH SS、合金718和AlSi10Mg,，Ti-6Al-4 V的研究最為廣泛,。所有加工技術(shù)在非HT條件下產(chǎn)生的材料疲勞強(qiáng)度顯著較低，且具有明顯的分散性,。HT并不能減輕散射,，這表明孔隙度的主要作用。

圖101 三種常用AM合金的疲勞極限總結(jié)：Ti-6Al-4V,、17–4 PH SS和合金718,。

如圖101所示，HIP通過(guò)減小孔隙尺寸和細(xì)化缺陷附近的微觀結(jié)構(gòu),，既提高了疲勞強(qiáng)度,，又減少了散射。已經(jīng)表明,，對(duì)于具有顯著延展性的AM材料，如304L SS和316L SS,，疲勞抗力可能不會(huì)受到缺陷的顯著影響,。缺陷尺寸對(duì)各種AM合金疲勞極限的影響如圖102所示。收集的數(shù)據(jù)包括Ti-6Al-4V,、合金718,、17–4 PH SS和AlSi10Mg試樣的疲勞性能，這些試樣采用所有AM（即激光束,、電子束）技術(shù)制造,，而不考慮應(yīng)力比。

圖102 Kitagawa圖顯示了不同AM合金(a) Ti-6Al-4V,， (b)合金718,，(c) 17-4 PH SS和(d) AlSi10Mg的有效疲勞極限與疲勞裂紋引發(fā)缺陷面積的關(guān)系。

圖102中所示的疲勞極限數(shù)據(jù)已重新整理并顯示在圖103中,，以使用Murakami DSF模型進(jìn)一步說(shuō)明缺陷的影響,。盡管文獻(xiàn)中大量報(bào)道了AM材料的疲勞性能,，但硬度數(shù)據(jù)并不總是適用于每個(gè)疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了糾正這一點(diǎn),，首先根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)獲得每種材料的UTS–HV相關(guān)性,，并使用已知強(qiáng)度數(shù)據(jù)填充缺失的HV值。當(dāng)強(qiáng)度也不可用時(shí),，指定特定構(gòu)建和HT條件下材料的平均HV,。

圖103 各種AM合金的觀察疲勞極限與Murakami模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比。

8.2.腐蝕行為

粉末床熔煉AM工藝中產(chǎn)生的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)和宏觀缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)使用中零件的退化行為產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,。本節(jié)回顧了粉末床AM中使用的結(jié)構(gòu)材料（主要是鐵基,、鋁、鈦和鎳合金）的水腐蝕和高溫氧化行為的文獻(xiàn),。由于AM零件的微觀結(jié)構(gòu)不同于鑄造或金屬成形所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu),，因此材料對(duì)腐蝕環(huán)境的反應(yīng)也不同。

鐵基合金,。除少數(shù)例外,，腐蝕試驗(yàn)結(jié)果僅限于17–4 PH和316L不銹鋼。這些合金廣泛用于L-PBF AM,。不銹鋼通過(guò)一層稱(chēng)為鈍化層的鉻和鐵氧化物薄層獲得抗腐蝕性,。大多數(shù)L-PBF材料的腐蝕研究都集中在這些類(lèi)型的環(huán)境以及鍛造和L-PBF合金的比較上。

基于DLD過(guò)程中傳熱的重要性,，通過(guò)熱診斷/監(jiān)測(cè)進(jìn)行的實(shí)時(shí)無(wú)損評(píng)估（NDE）繼續(xù)有助于預(yù)測(cè)制造后的性能,。因此，熱行為的控制提供了一種確保產(chǎn)品可重復(fù)性和質(zhì)量的方法,。熔池中可測(cè)量的熱特征以及沿零件的溫度分布可以與最終零件屬性相關(guān)聯(lián),，以便閉環(huán)控制算法可以定制零件以獲得最佳功能。零件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制固有的DLD溫度來(lái)控制,。

通過(guò)DLD對(duì)薄壁進(jìn)行數(shù)值建模,。

Schaller等人對(duì)17–4 PH不銹鋼（沉淀硬化馬氏體等級(jí)）進(jìn)行了L-PBF零件孔隙率及其對(duì)腐蝕影響的詳細(xì)研究。與鍛造條件相比,，L-PBF樣品表現(xiàn)出更低的腐蝕電位,、更高的腐蝕電流密度和更低的點(diǎn)蝕電位。這項(xiàng)研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是,，與較小的氣孔相比,，更大的未熔合氣孔對(duì)耐蝕性影響更大。這可以通過(guò)在樣品表面上有孔和無(wú)孔的特定區(qū)域進(jìn)行微電子化學(xué)測(cè)試來(lái)說(shuō)明,。結(jié)果如圖104所示,。與半球形氣孔相比，LOF氣孔的不規(guī)則形狀會(huì)導(dǎo)致更多的閉塞區(qū)域,。

圖104 Schaller等人對(duì)17-4PH不銹鋼的研究結(jié)果,，顯示了孔徑對(duì)極化行為的影響,。

對(duì)304L的研究還觀察到，除了孔隙率之外,，由于偏析或其他微觀結(jié)構(gòu)特征,，沒(méi)有出現(xiàn)優(yōu)先腐蝕。L-PBF奧氏體不銹鋼的顯微結(jié)構(gòu)由相對(duì)較大的柱狀?yuàn)W氏體晶粒組成,，具有胞狀亞結(jié)構(gòu),，通常含有一些鐵素體。在細(xì)胞間區(qū)域觀察到Cr和Mo的微偏析,，這些區(qū)域也具有高的位錯(cuò)密度,。

Laleh等人報(bào)告了與商用合金相比，L-PBF處理的316L具有不尋常的晶間耐蝕性,。在長(zhǎng)期敏化熱處理后,，L-PBF處理的316L未檢測(cè)到富含鉻的沉淀物。商用316L合金的DL-EPR測(cè)試后的顯微鏡觀察表明,，存在連續(xù)的開(kāi)槽晶界網(wǎng)絡(luò),，凹槽深深地延伸到塊體中，而在AM試樣中則不太明顯,。這種行為的一個(gè)可能假設(shè)可能是L-PBF處理的316L中的高頻率孿晶邊界和低角度晶界以及細(xì)晶粒（圖105）,。

圖105 （A）DL-EPR試驗(yàn)后的光學(xué)顯微照片（室溫下0.5 M H2SO4+0.01 M KSCN溶液）。（B）聚焦離子束從試樣晶界的橫截面測(cè)量攻擊深度,。

據(jù)報(bào)道,，L-PBF不銹鋼的耐腐蝕性通常低于相同等級(jí)的鍛造合金。然而,，這一耐腐蝕性較低的發(fā)現(xiàn)并不普遍,。然而，PBF處理的不銹鋼合金對(duì)裂紋萌生和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性需要更多的考慮,。L-PBF處理鐵合金的腐蝕性能歸因于以下因素：

1. L-PBF零件的孔隙率增加
2. 由于快速凝固,，較小的MnS夾雜物（有益）和顯微偏析（有害）

鋁合金。AM鋁合金的腐蝕研究幾乎完全集中于AlSi10Mg,，這是AM應(yīng)用中最常見(jiàn)的鋁合金。最感興趣的行為是在氯化物溶液中的點(diǎn)蝕,，通常是NaCl水溶液或Harrison溶液,。通常有兩類(lèi)研究。第一類(lèi)側(cè)重于L-PBF處理材料與具有相似成分的鍛造或鑄造合金的比較,。第二類(lèi)研究AM相關(guān)工藝變量,，最常見(jiàn)的表面條件（例如取向、粗糙度）和后成型熱處理,。鋁合金的一個(gè)主要腐蝕問(wèn)題是在含有氯化物離子的溶液中的點(diǎn)蝕,，因此,，所有研究都發(fā)現(xiàn)所用環(huán)境為NaCl水溶液或Harrison溶液。

與常規(guī)處理材料相比,，L-PBF處理材料通常表現(xiàn)出同等或更好的耐腐蝕性,。這歸因于精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度和沒(méi)有金屬間顆粒。鋁合金的耐點(diǎn)蝕性和陰極活性金屬間沉淀物的中心作用已經(jīng)得到了很好的研究,，并在最近進(jìn)行了綜述,。一般來(lái)說(shuō)，鐵和銅雜質(zhì)是這些金屬間化合物的主要原因,。

高強(qiáng)度鋁合金對(duì)于需要強(qiáng)度和低密度平衡的多種應(yīng)用（例如航空航天或汽車(chē)應(yīng)用）特別有吸引力],。基于金屬的增材制造（AM）技術(shù)的最新發(fā)展,，包括選擇性激光熔化（SLM）,，也稱(chēng)為粉末床熔化或金屬3D打印，由于能夠生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件而引起了相當(dāng)大的興趣,。在鋁合金的背景下,，AM商業(yè)化生產(chǎn)Al-Si-Mg合金（即AlSi10Mg）已經(jīng)變得很普遍。包括AlSi10Mg在內(nèi)的鋁合金通過(guò)AM提供可靠且可重復(fù)的生產(chǎn),，但是這種合金（及其變體）基于鑄造合金成分并且強(qiáng)度不高（通常屈服強(qiáng)度在170MPa范圍內(nèi)）,。

(a) AM2024合金的BF-STEM和(b) HAADF-STEM圖像。高倍率EDXS映射(c-h)和(i - n)分別對(duì)應(yīng)于(a)中的方框1和方框2,。

通過(guò)AM追求更高強(qiáng)度的鋁合金對(duì)多個(gè)行業(yè)和應(yīng)用具有重大優(yōu)勢(shì),。然而，這種高強(qiáng)度的AM Al合金迄今尚未得到廣泛研究,。在常規(guī)（鑄造）操作中,，高強(qiáng)度鋁合金的凝固需要以避免所謂的“熱撕裂”的方式進(jìn)行，熱撕裂可能是由于溶質(zhì)類(lèi)型和載荷而引起的,。Pollock及其同事最近報(bào)道了AM編寫(xiě)的高強(qiáng)度鋁合金凝固報(bào)告以及與凝固相關(guān)的因素,。據(jù)報(bào)道，高強(qiáng)度鋁合金的AM（主要基于鍛造高強(qiáng)度鋁合金的成分）可能導(dǎo)致不良的微觀組織,，降低疲勞壽命并導(dǎo)致斷裂韌性差,。目前，較差的機(jī)械性能限制了AM在較低強(qiáng)度鋁合金（具有類(lèi)似鑄造的鋁合金成分）上的應(yīng)用,。

除了對(duì)金屬間化合物的影響外,，L-PBF處理后合金的微觀結(jié)構(gòu)也顯著細(xì)化，這也被認(rèn)為有助于提高耐蝕性,。L-PBF處理的AlSi10Mg的微觀結(jié)構(gòu)由α-鋁細(xì)胞組成,，其細(xì)胞間網(wǎng)絡(luò)為硅。相鄰熔池軌跡邊界處的蜂窩網(wǎng)絡(luò)間距通常比熔池中的更粗。如圖106所示,，經(jīng)常觀察到熔池軌跡之間邊界處的優(yōu)先腐蝕,。

圖106熔池邊界（a）和邊界（b）處的粗化微觀結(jié)構(gòu)，圖像（c-e）顯示L-PBF處理的AlSi10Mg中熔池邊界處的優(yōu)先腐蝕,。

大多數(shù)研究得出結(jié)論,，粗糙的竣工表面對(duì)耐腐蝕性有害。粗糙的竣工表面被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致更多不規(guī)則的鈍化層,，并導(dǎo)致更大的陰極面積,。Fathi等人報(bào)告了相反的結(jié)果，他們認(rèn)為部分熔化和氧化的粉末顆粒會(huì)形成更具保護(hù)性的被動(dòng)層,。Fathi等人研究了表面光潔度和暴露表面形態(tài)對(duì)鹽水溶液的影響（圖107）,。

圖107 （A）用于制造具有不同表面粗糙度的AlSi10Mg零件的工藝參數(shù)。（B） AM零件表面的SEM顯微照片顯示粗糙度與加工條件的關(guān)系,。（C）顯示熔池尺寸和形態(tài)的橫截面光學(xué)顯微照片,。（D）陽(yáng)極動(dòng)電位極化曲線和循環(huán)極化曲線取自浸沒(méi)在3.5wt%NaCl溶液中的樣品表面。（E）陽(yáng)極極化試驗(yàn)后,，從頂部表面（上表皮層）拍攝的SEM圖像顯示了樣品上的點(diǎn)蝕和選擇性腐蝕以及熔池邊界,，順序?yàn)楸砻?<規(guī)則<表面2樣品。

耐腐蝕性的提高與L-PBF處理的AlSi10Mg的微觀結(jié)構(gòu)中細(xì)Si顆粒的均勻分布有關(guān),，這防止了沿熔池邊界的滲透選擇性腐蝕,，盡管有局部腐蝕的報(bào)道。Rubben等人給出了矛盾的結(jié)果,，其中在300°C下進(jìn)行2小時(shí)的應(yīng)力消除處理對(duì)耐蝕性有不利影響,。腐蝕附著取決于AM處理的AlSi10Mg中硅的形態(tài)（圖108）。

圖108 （A-左）竣工L-PBF AlSi10Mg合金和（B-左）應(yīng)力消除試樣在300°C下浸泡2小時(shí)的SEM顯微照片,。（C）當(dāng)（A-d）存在連接的硅網(wǎng)絡(luò)和（e-h）硅形成單獨(dú)的沉淀（黑色表示硅相）時(shí),，提出的腐蝕機(jī)制。

L-PBF Ti-6Al-4V由于快速凝固,，組織以α′馬氏體為主,，含有少量β。Dai等觀察到L-PBF材料的耐蝕性比鍛造的Ti-6Al-4V更差,。這一結(jié)論是基于圖109(a, b)所示的開(kāi)路電位持續(xù)增加,，無(wú)源電流密度較高，擊穿電位較低的結(jié)果得出的,。

圖109 L-PBF處理的Ti-6Al-4V和變形材料在3.5 wt% NaCl中的開(kāi)路電位變化和動(dòng)電位極化曲線的比較,。

鎳合金。關(guān)于通過(guò)AM工藝生產(chǎn)的鎳合金的水溶液腐蝕的研究很少,。這些發(fā)現(xiàn)集中于625合金在氯化物水環(huán)境中的環(huán)境開(kāi)裂。經(jīng)L-PBF處理的合金625在恒定位移試驗(yàn)下耐環(huán)境斷裂,，且其耐腐蝕疲勞性略低于鍛造對(duì)應(yīng)材料,。L-PBF處理的合金718證明,，構(gòu)建取向影響表面缺陷的形成，使得垂直打印在NaCl溶液中具有最高的耐腐蝕性能,。換言之,，表面缺陷（孔隙度和粗糙度）成為局部腐蝕的首選部位。

如圖110所示,，在HIPed+老化樣品上形成了一個(gè)單一的Cr2O3鈍化層,，內(nèi)部氧化最小，而溶液處理+老化樣品顯示了兩個(gè)氧化物層,，包括Cr2O3鈍化層頂部由（Ni,，F(xiàn)e，Nb）Cr2O4氧化物組成的外部氧化物層,。作者假設(shè),，在HIPed+老化樣品的晶界和晶粒內(nèi)存在TiC，在早期氧化階段起到了氧化物成核點(diǎn)的作用,，并抑制了氧離子的內(nèi)部擴(kuò)散（見(jiàn)圖111）,。

圖110 合金718氧化過(guò)程中報(bào)告的拋物線速率常數(shù)。

圖111 L-PBF合金718的頂表面和橫截面的SEM顯微照片,，隨后進(jìn)行（A）固溶處理+時(shí)效和（B）HIPed+時(shí)效的后熱處理,。

9.當(dāng)前的挑戰(zhàn)、差距和未來(lái)趨勢(shì)
盡管在理解和控制金屬PBF中的缺陷方面取得了重大進(jìn)展,，但我們?nèi)赃h(yuǎn)未達(dá)到通過(guò)合理設(shè)計(jì)印刷一致,、可靠和高性能金屬部件的最終目標(biāo)。我們確定以下領(lǐng)域?yàn)榭s小這一差距的未來(lái)研究方向示例：

零件尺寸缺陷的形成和預(yù)測(cè),。在使用為最大化零件密度而優(yōu)化的參數(shù)制造的零件中觀察到有害缺陷,。這對(duì)零件/工藝鑒定和認(rèn)證提出了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)零件尺寸上的缺陷形成有更深入的了解是至關(guān)重要的,。激光束特性（功率,、光束輪廓、光束尺寸,、焦平面等）,、熱條件（溫度分布、零件上的熱積聚和耗散）以及整個(gè)構(gòu)建區(qū)域上的環(huán)境氣體流動(dòng)（雜質(zhì)水平,、流速,、流型等）的變化可能對(duì)缺陷形成起重要作用。

使用并行和非并行層方法的工具路徑,。

原子/納米級(jí)缺陷的形成和預(yù)測(cè),。原子和納米級(jí)缺陷（例如，位錯(cuò)、化學(xué)偏析,、納米級(jí)污染）已在額外制造的金屬中觀察到,。關(guān)于這些缺陷在快速循環(huán)加熱和冷卻過(guò)程中如何形成和演變的細(xì)節(jié)尚不清楚。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和多尺度模擬相結(jié)合對(duì)于理解地層機(jī)理和發(fā)展預(yù)測(cè)能力是必要的,。

零件尺寸中所有類(lèi)型缺陷的空間分布,。當(dāng)前的研究結(jié)果主要顯示零件/構(gòu)造的某些區(qū)域中的缺陷或零件中特定類(lèi)型缺陷（例如孔隙）的分布。零件中的缺陷類(lèi)型,、缺陷尺寸和缺陷量預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生顯著變化,。揭示零件尺寸中所有類(lèi)型缺陷的空間分布對(duì)于開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確的模型以預(yù)測(cè)附加制造零件的機(jī)械性能至關(guān)重要。

缺陷緩解和消除,。目前,，添加制造的金屬的疲勞壽命僅為其鍛造對(duì)應(yīng)物的一半左右，并表現(xiàn)出顯著的變化,，這限制了增材制造的材料作為承載關(guān)鍵部件的應(yīng)用,。需要作出重大努力，以開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)減輕和消除附加制造零件中的有害缺陷,。

缺陷的受控生成,。增材制造技術(shù)可以在特定位置引入特定缺陷，從而能夠在零件中創(chuàng)建圖案化缺陷,。零件中的特定缺陷圖案可能會(huì)產(chǎn)生新特性,。

DLD期間帶有熔池的熱影響區(qū)（HAZ）。

缺陷演化的多尺度,、多模態(tài)原位表征,。過(guò)去幾年，單個(gè)原位表征技術(shù)（例如,，x射線成像/衍射,、可見(jiàn)光成像、熱成像）揭示了關(guān)于缺陷形成和演化的重要見(jiàn)解,。不同原位技術(shù)的集成對(duì)于獲得不同規(guī)模,、不同區(qū)域和不同條件下缺陷形成和演化的整體視圖至關(guān)重要。開(kāi)發(fā)多尺度和多模式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工具是一項(xiàng)持續(xù)努力,，并將在未來(lái)繼續(xù)發(fā)展,。多尺度和多模態(tài)原位表征研究將為揭示新的缺陷形成機(jī)制、識(shí)別商業(yè)機(jī)器中缺陷監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵信號(hào)以及建立特定位置的加工微結(jié)構(gòu)關(guān)系做出重要貢獻(xiàn),。

模擬,、預(yù)測(cè)和減少飛濺。飛濺是PBF工藝中質(zhì)量不確定性的主要原因,。近年來(lái),，先進(jìn)的原位表征工具在揭示飛濺形成機(jī)理方面取得了重大進(jìn)展,。然而，預(yù)測(cè)其形成,、尺寸和粉末床上的著陸點(diǎn)以及量化其對(duì)零件性能的影響仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),。需要作出巨大努力來(lái)開(kāi)發(fā)能夠定量預(yù)測(cè)飛濺的模擬工具，并開(kāi)發(fā)有效的方法來(lái)減輕甚至消除PBF過(guò)程中最有害的飛濺,。解決飛濺引起的缺陷是開(kāi)發(fā)可靠PBF技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

缺陷的概率模擬,。PBF中的缺陷形成和演化存在許多不確定性,。目前廣泛使用的確定性模擬無(wú)法很好地捕捉這些不確定性。概率模擬考慮了輸入?yún)?shù)和隨機(jī)事件的概率分布,，有可能解決PBF過(guò)程中的不確定性問(wèn)題,。開(kāi)發(fā)概率模型以預(yù)測(cè)PBF過(guò)程中的缺陷需要大量努力。概率模型將為工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)提供重要信息和指導(dǎo),。

橫移速度對(duì)模擬的碳基鋼HAZ附近冷卻速率和組織的影響(a)橫移速度= 2 mm/s (b)橫移速度= 20 mm/s,。

屬性預(yù)測(cè)。雖然人們已經(jīng)投入了很多努力來(lái)開(kāi)發(fā)模型來(lái)預(yù)測(cè)添加制造的金屬的性能,，但精確預(yù)測(cè)增材制造金屬的性能仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),。隨著對(duì)缺陷特征、空間分布及其對(duì)附加制造金屬性能的影響有了更深入的了解,，有必要進(jìn)行重大研究,，將這些發(fā)現(xiàn)整合到性能預(yù)測(cè)模型中，以提高預(yù)測(cè)精度,。

機(jī)械性能評(píng)估,。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)建議使用具有一定最小標(biāo)距直徑和長(zhǎng)度的試樣，以便在標(biāo)距處具有足夠的材料,，因此,，正在測(cè)試足夠體積的材料（例如，足夠數(shù)量的顆粒）,。以下是潛在的挑戰(zhàn)：（1）如果試樣單獨(dú)制造,，則由于受幾何和設(shè)計(jì)因素影響的熱歷史差異，它們不能代表零件中感興趣點(diǎn)的特性,。因此,，最好的做法是從那些感興趣的地方切除標(biāo)本。在這種情況下,，每個(gè)樣品需要一個(gè)零件,，這會(huì)顯著增加成本/時(shí)間。（2）傳統(tǒng)的載荷框架和夾具不適合測(cè)試這些試樣,，因此需要專(zhuān)門(mén)的載荷框架與夾具進(jìn)行測(cè)試,。（3）由于其測(cè)量截面較小,，操作員無(wú)法連接伸長(zhǎng)計(jì)并測(cè)量應(yīng)變。因此,，需要非接觸式伸長(zhǎng)計(jì)（例如視頻伸長(zhǎng)計(jì)）來(lái)測(cè)量應(yīng)變,。

機(jī)器學(xué)習(xí)。PBF AM工藝中工藝參數(shù),、缺陷特征和性能之間的相關(guān)性非常復(fù)雜,。目前已經(jīng)收集了大量數(shù)據(jù)。先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具具有從大數(shù)據(jù)中提取隱藏規(guī)則的巨大潛力,。

金屬增材制造是一個(gè)非�,；钴S的研究領(lǐng)域。上面列出的主題只是未來(lái)研究方向的幾個(gè)例子,。我們預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)出現(xiàn)許多新的研究方向,。我們預(yù)計(jì)，社區(qū)研究人員的集體努力將克服PBF AM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),。

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.