激光粉末床聚變：技術、材料、性能和缺陷以及數(shù)值模擬的最新綜述（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：這篇綜述主要解釋了LPBF工藝的基本原理、幾個相互關聯(lián)參數(shù)的科學和技術進展、原料材料、生產性能/缺陷，以及數(shù)值模擬的見解，以虛擬地理解工藝行為。本文為第三部分。


4.1.2 掃描策略的影響
不均勻熱梯度的產生導致LPBF缺陷，如氣孔、殘余應力和較差的表面光潔度。掃描策略用于解決加熱和冷卻階段的熱梯度問題。一些研究人員設計了各種掃描策略，以產生幾乎沒有缺陷的完全致密的零件。一些被廣泛接受的常見策略是單向、雙向和孤島/棋盤策略，如圖17所示。一些策略是通過修改其中一些基本策略而開發(fā)的。單向策略是最簡單的，但在其他方法中給出了最差的密度結果。

圖17 不同類型的掃描策略。

圖18顯示了應用于AlSi10Mg的不同掃描策略。掃描策略A（單向）、B（雙向）、C（沿掃描方向旋轉900圈的雙向重新掃描）和D（島掃描）分別實現(xiàn)了99%、98.9%、99.4%和98.2%的相對密度。Dewidar等人將掃描策略分類為單層粉末熔化的標準掃描、對角線掃描和周長掃描（圖19）。Su等人嘗試采用不同的掃描策略來了解其影響（圖20）。據(jù)觀察，周長掃描策略沒有給出相關結果，而對角線和標準掃描策略給出了幾乎相同的結果。

圖18 標準、對角線和周長掃描策略。


圖19 不同的掃描策略：數(shù)字表示掃描順序，箭頭表示掃描方向。


圖20 四種不同的重熔策略。

減少諸如孔隙率的缺陷的另一種替代方案是重熔。這只是在引入新的粉末層之前將同一粉末層熔化兩次或三次。該步驟消除了表面缺陷和表面污染物以及任何氧化物。當其他參數(shù)不能達到全密度時，這也有助于獲得更高的密度。唯一的缺點是它耗時耗力。為了避免任何殘余應力或裂紋，建議在低能量密度下進行重熔工藝。還得出結論，致密化重熔取決于仔細選擇其他參數(shù)。

AlMangour等人研究的另外四種TiC/316L重熔策略（圖20）的相對密度分別為92.48%、96.04%、86.91%和96.40%。結果表明，通過采用策略I和策略II，重熔時實現(xiàn)了更高的致密化，但策略III的致密化程度低于策略I。還認為，相同方向的重熔產生了更嚴重的織構，而沿掃描方向旋轉的重熔具有更好的織構結果。因此，強烈建議旋轉重熔。

4.2.粉末參數(shù)對致密化的影響

LPBF工藝中使用的粉末的性能和質量在監(jiān)控工藝穩(wěn)定性和確定所生產零件的性能方面起著重要作用。當我們考慮粉末的特性時，通常會討論粉末的尺寸、形狀、成分、內部孔隙率和表面形貌。還考慮了物理變量，如表觀密度（粉末可填充的程度）和流動性（粉末流動傾向的程度）。粉末形態(tài)是監(jiān)測所有其他工藝參數(shù)的一個特征，如粉末的填充、流動性和熱效應的性質。它們在選擇工藝的層厚度和其他參數(shù)中也起著重要作用。

4.2.1.流動性、吸收率、反射率和電導率的影響

眾所周知，鋁粉末由于其低密度和非球形粉末而具有較差的流動性。這種較差的流動性使得沉積鋁粉的任務非常困難，這是LPBF工藝的關鍵。此外，在霧化過程中形成表面氧化物，限制了試圖使顆粒球化的表面張力。這導致流動性差。因此，應采用球形粉末，以實現(xiàn)更好的致密化和精度，因為球形粉末可改善流動性。另一個關鍵因素是粉末應無明顯缺陷，如氣孔，因為它們會導致顆粒之間的低融合，直接影響密度。粉末的尺寸也會影響細顆粒和窄顆粒，細顆粒和細顆粒傾向于聚集在一起并融合，與較大顆粒和粗顆粒相反。

SLM處理的Ti-TiB復合材料樣品的顯微CT圖像，該樣品由研磨（a）2的Ti–TiB2粉末混合物制備 h和（b）4 h、 研磨2小時的Ti-TiB2粉末混合物中的SLM處理的Ti–TiB復合材料樣品的相對密度 h和4 h分別為99.5%和95.1%。

LPBF工藝的基本步驟之一是激光束與粉末顆粒的相互作用以及粉末對激光能量的吸收。吸收率（計算為吸收能量輻射與入射能量輻射的比值）在LPBF過程中給出準確結果起著關鍵作用。粉末層首先吸收表面上的激光能量，導致表面上的溫度升高。然后熱量開始流向顆粒的中心，導致熱循環(huán)的發(fā)展。熱傳遞一直持續(xù)到達到穩(wěn)定狀態(tài)，這也取決于周圍粉末顆粒的性質。如果粉末在特定局部區(qū)域的吸收率不同，它將使粉末汽化。在紅外范圍內，鋁具有高反射性。對于1毫米波長的激光，鋁幾乎反射了一切，只吸收了約7%的能量。盡管由于多次吸收和反射，整個粉末床的吸收將高于預期值，但必須提供高于計算值的激光能量，以克服反射率問題。此外，已經掃描的層和新的相鄰顆粒之間的吸收率將不同。因此，在重疊軌道情況下會產生溫度梯度，這可能會導致球化。

Al也因其高導電性而聞名。在這種情況下，熱能供應迅速傳導到附近已經掃描和固化的部分。這可能會產生多重影響。首先，與低導電性材料相比，將消耗更多的能量。高導電材料的熔體軌跡寬度將遠大于低導電材料，因為熱量從相鄰區(qū)域傳導出去。Mg具有高導電性和高反射率的特性。但是與固體基底相比，沉積的粉末具有相對較差的導電性。施加熱量時，其流動緩慢，導致熔池過熱。這會影響熔池的尺寸，并在粉末和固體之間產生密度差異。高導電性和反射率的另一個缺點是，控制和監(jiān)控LPBF工藝具有挑戰(zhàn)性。

使用2.5 W激光功率、1.0 mm/s掃描速率和0.15 mm掃描線間距的激光燒結HSS表面的SEM圖像：（a）銑削M3/2–11；（b）水霧化M3/2–32；（c）水霧化M3/2–100；（d）氣體霧化M2-117。

4.4.2.粉末原料

所生產部件中的持續(xù)缺陷產生、高材料成本和粉末原料缺乏一致性都是金屬增材制造（AM）主流化的主要障礙。了解原料質量如何隨著再利用而變化，以及這些影響如何建立機械性能，對于生產更可靠、復雜形狀的金屬零件至關重要。如果粉末顆粒與能量源接觸，但未合并為AM組分，則它們可能會經歷各種動態(tài)熱相互作用，從而導致不同的顆粒行為。粉末進料質量在LPBF工藝中至關重要，因為該技術依賴于分布和選擇性熔化的小粉末層來創(chuàng)建3D金屬部件。顆粒形態(tài)、粒度分布、表觀密度和流動性是用于評估增材制造中粉末質量的唯一參數(shù)。

最近的研究表明，這些策略可能不是最合適的。由于鋁顆粒復雜的內聚行為影響其流動性，因此研究鋁顆粒的難度加大。Muñiz-Lerma等人研究了粉末鋪展密度、吸濕性、表面能、內聚功和粉末流變學以及常規(guī)粉末特性評估。根據(jù)這項研究，小顆粒的參與增強了濕度拾取，提高了總顆粒表面能和顆粒間的內聚力。這種沖擊阻礙了粉末流動，從而阻礙了最佳印刷所需的均勻層分布。當球形顆粒更顯著時，水分吸附、表面能和內聚性能降低。這一發(fā)現(xiàn)表明，有問題的粉末原料可以通過調整顆粒分布、尺寸和形狀來調整LPBF。Santecchia等人報告說，回收建筑作業(yè)中未熔化的粉末對于使LPBF更具成本效益和環(huán)境友好至關重要。然而，需要對整個過程有更深入的了解，因為激光與粉末的相互作用涉及復雜的物理現(xiàn)象，并產生可能危及原料和最終結構部件完整性的副產品。Hupfeld等人報告稱，在原料中添加納米顆粒是調整原料材料性能以實現(xiàn)可打印性并獲得所需打印部件性能的最終解決方案。

原始粉末和重復使用粉末在229x、457x和2290x放大倍數(shù)下的SEM圖像。底部圖像上的箭頭表示重復使用時發(fā)現(xiàn)的平滑的重熔粒子。

4.2.3.顆粒形狀、尺寸和分布對致密化的影響

由于完全熔化是LPBF工藝的關鍵目標，顆粒尺寸和形狀的影響通常被認為價值較小。但在了解粉末性質（如形狀、尺寸、表面形態(tài)、化學成分和尺寸分布）對SLS工藝的影響方面，已經做了大量工作。然而，更好的致密化總是增強LPBF結果，我們通常會嘗試了解粉末粒度在增材制造過程中的影響，特別是SLS。

Olakanmi等人在對AL-Si進行激光燒結的工作中指出，粉末粒度和粒度分布對最終零件的致密化具有關鍵影響。有人指出，較小的顆粒很快燒結，顆粒之間的接觸點會形成頸狀，從而實現(xiàn)致密化。為了獲得更好的粉末燒結，需要混合不同尺寸的粉末。然而，細粉末顆粒有助于增加堆積密度和燒結響應。小顆粒由于燒結而承受的應力比大顆粒大得多。因此，小顆粒非常容易產生缺陷。這也意味著較大的顆粒會限制小顆粒的收縮，從而導致大顆粒周圍的開裂。不同尺寸顆粒在加工過程中的響應不同。較大尺寸的顆粒需要更多的時間和能量來熔化。因此，必須優(yōu)化參數(shù)，以避免局部過熱或部分熔化，從而導致孔隙度。盡管對于較低的激光能量密度值，小尺寸顆�？梢员容^粗和較大顆粒提供更好的結果，但它們可以被屏蔽室中的氣體吹走并粘附到表面。這干擾了下一個粉末床的分布。

原始粉末和重復使用粉末中γ奧氏體（藍色）和δ鐵素體（紅色）區(qū)域的EBSD相圖和逆極圖。

Liu等人指出，粉末顆粒的形狀也影響致密化過程。他們發(fā)現(xiàn)鋁粉和氧化物層之間的熱膨脹導致氧化物斷裂。球形和不規(guī)則形狀顆粒的斷裂特征不同。Niu等人對水霧化角顆粒和氣體霧化球形顆粒進行了實驗。他們發(fā)現(xiàn)，氣體霧化球形顆粒的SLS形成了均勻致密的單層。不規(guī)則形狀的顆粒和高氧含量導致水霧化顆粒的多孔結果。Olakanmi等人研究了粉末性質對經歷LPBF工藝的鋁粉致密化動力學的影響。發(fā)現(xiàn)致密化動力學主要受所用粉末的氧化物組成、形狀和密度的影響。Olakanmi等人認為，零件的表觀密度和攻絲密度源自工藝過程中發(fā)生的熱循環(huán)，可以通過使用不同尺寸的顆粒輕松控制。這種技術通常被稱為雙峰或三峰粉末分布。

4.2.4.合金元素對致密化的影響

Zhang等人進行了一項實驗，以了解將鎳作為合金元素添加到鎢粉中的效果。對含10%、20%和40%（重量）鎳的鈦粉末進行LPBF工藝。結論是，鎳的加入提高了鈦鎳合金的密度。Dadbaksh等人進行了類似的實驗，以了解在不同的鋁合金（如純鋁、AlMgSiCu和AlSi10Mg）中添加15重量%的Fe2O3。結論是，添加Fe2O3有助于鋁合金的固結性能（圖21）。這種添加也有助于降低孔隙率和氧化層破裂等缺陷。

圖21 添加15重量%的Fe2O3對不同鋁合金致密化的影響。

Wang等人研究了合金元素X（Cr、Mn、Mo、Ni、Si）對選擇性激光熔化形成的TiC/316L不銹鋼復合材料中TiC（001）/γ-Fe（001）界面穩(wěn)定性的影響。Cr4、Mn4、Mo4、Ni1和Si1界面模型的粘附功、鍵長、層間距離和電學性能表明更有利于提高界面結合強度，并且Cr-、Mn-、Mo-摻雜界面比其他界面更穩(wěn)定。合金原子的摻雜由X1和X4結構表示，但僅在不同的晶體位置。因此，在TiC中添加Cr、Mn、Mo、Ni和Si將加速Fe的異相成核，增加TiC的異相形核電位，并提高TiC/316L不銹鋼復合材料的界面結合強度。Wei等人研究了鋅含量對Mg-Zn二元合金致密化行為、微觀結構和力學性能的影響。Mg7Zn3的數(shù)量隨著Zn濃度的增加而同步增加，而其形態(tài)逐漸從粒狀變?yōu)榫W(wǎng)狀。根據(jù)硬度和拉伸試驗，只有Mg-1Zn試樣具有與鑄態(tài)試樣相同的機械質量。隨著Zn濃度的增加，LPBF處理合金的機械特性顯著降低，這是由于致密化程度的惡化。Kimura等人研究了硅（Si）含量（Si=0、1、4、7、10、12和20質量%）對使用選擇性激光熔煉制備的AL-xSi二元合金的致密化、機械和熱性能的影響。極限抗拉強度和極限應力隨著硅含量的增加而增加，而伸長率和導熱率則下降。隨著硅含量的增加，更多的硅結晶相歸因于這些機械性能。

4.3.替代參數(shù)

4.3.1.大氣條件

在LPBF過程中，大氣中存在氧氣，尤其是金屬，可能會造成災難性后果，因為它會形成氧化物，也會導致成球。因此，控制LPBF工藝氣氛非常重要，這樣可以避免不期望的反應。受控氣氛還可導致一些期望響應的啟動。例如，向Al中添加氮以形成AlN可防止氧化并提高尺寸穩(wěn)定性。Wu等人研究了氧含量對鈦合金Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C微觀結構的影響。保護氣體用作氬氣，氬氣保護室內的氧氣濃度低于5ppm。結果表明，在空氣中加工的零件的顯微組織具有較大的枝晶狀結構，且較粗。同時，在屏蔽氣氛中生產的零件具有均勻分布的細晶粒。Schaffer等人對鋁及其合金燒結的大氣條件進行了研究[266]。他們指出，真空、氮氣、氬氣和氫氣通常用作保護氣體。結果發(fā)現(xiàn)，對于AL-Mg-0.5Si-0-2Cu合金，氮氣的處理效果更好，而AL-4.5Cu-0.5Mg-0.2Si在真空屏蔽室中的處理效果更佳。指出產生差異的根本原因是工藝后的冷卻速率不同。

原始粉末和重復使用粉末中fccγ奧氏體（藍色）和bccδ鐵素體（紅色）區(qū)域的EBSD相位圖和逆極圖蒙太奇圖。

4.3.2.致密化行為和工藝變量

致密化行為和加工參數(shù)之間關系的討論可以集中在激光能量密度上，這只是參數(shù)變化的組合。通常，觀察到隨著激光能量密度值的增加，觀察到具有最小孔隙的光滑表面。這是因為液相更好地熔化和流入空隙。掃描速度的降低為激光束相互作用和粉末提供了更多的時間，從而導致完全熔化，從而獲得更好的密度。當掃描線彼此靠近時，隨著液態(tài)熔融金屬的流動和分布增加，密度也隨著艙口間距的減小而增加。較高的層厚度將導致缺乏用于粉末床完全熔化的激光能量密度，而較淺的層厚度會增加生產和成本時間。因此，需要計算最佳層厚度以平衡兩個極端。粉末性質也影響致密化行為。粉末的質量由尺寸、形狀、表面形態(tài)、成分和內部孔隙率以及物理變量（如流動性、吸收率、反射率和熱導率）決定。此外，在LPBF處理過程中保持氣氛受控非常重要，因為它可以防止不期望的反應并減少金屬表面上的氧化物，從而導致諸如球化等缺陷。

5.LPBFed零件的特性

5.1.微觀結構

LPBFed零件中的微觀結構由短冷卻循環(huán)控制。快速凝固和定向凝固為LPBFed零件提供了更精細的組織。還可以通過控制工藝參數(shù)來監(jiān)測相組成、相百分比和晶粒尺寸。基于產品質量的性能在很大程度上取決于其制造過程中經歷的熱循環(huán)。熱過程包括高冷卻和加熱速率、大溫度梯度、突然溫度升高等。LPBFed零件的最終微觀結構主要取決于高凝固速率。

截面中重復使用顆粒的TEM EDS圖。

所有工藝參數(shù)，包括層厚度、掃描速度、陰影間距和激光功率，都強烈影響微觀結構的發(fā)展。已經進行了許多研究，以了解工藝參數(shù)對工藝冷卻速率以及隨后對所形成的微觀結構的影響。Do等人和Han等人研究了激光能量對LPBF處理的Ti64微觀結構發(fā)展的影響。這兩項研究工作表明，在所有激光能量值下存在馬氏體結構的結果相同。觀察到隨著激光能量密度的增加，冷卻速率降低，馬氏體晶粒尺寸增大。特別是，還觀察到，激光能量密度的增加減小了α′的寬度和它們之間的間距，但增加了柱狀晶粒的寬度。對Ti-6Al-V4進行的許多LPBF研究表明，柱狀的α′馬氏體晶粒先于β。產生這種微觀結構的主要原因是選擇工藝參數(shù)，使冷卻速率大于410K/s。還觀察到，對于鎂加工零件的微觀結構，由于高速和低功率，較低的能量密度導致了較高的冷卻速率，導致了更精細的晶粒。通過降低速度和增加功率，可以產生較低的冷卻速率和較粗的晶粒。

除了改變工藝參數(shù)外，形成的微觀結構的性質還取決于激光和粉末之間的相互作用時間。相互作用周期和激光能量密度之間的這種關系導致溫度梯度（G）、凝固速率（R）和冷卻速率。觀察到，增加G/R比使樹枝晶形成傾向于細胞狀樹枝晶晶粒。此外，更高的冷卻速率支持更高過冷度的概念，從而產生更精細的晶粒。因此，不同熱循環(huán)的這些速率控制形成的微結構的類型和規(guī)模。過熱的熔池高溫表面在激光和材料之間的相互作用時間較長的情況下形成。由于低掃描速度或高激光功率，這也可能導致高能量密度。這種條件也會增加基礎溫度。這導致溫度梯度減小并降低冷卻速率，從而產生較粗的微觀結構。

EBSD逆極點圖和相位圖：a）焊接熔池飛濺顆粒，b）AM熔池飛濺粒子，c）激光掃描顆粒，d）激光掃描粉末擴散。（藍色：γfcc，紅色：δbcc）

與此相反，當改變參數(shù)以提供低激光能量密度時，不會發(fā)生過熱。保持平均溫度梯度，并且適當?shù)睦鋮s速率形成更精細的晶粒。工藝參數(shù)還控制熔池的幾何形狀。當激光能量密度剛好足以熔化粉末時，由于高表面張力而形成圓柱形幾何熔池。如果前一層或基底層被預熱或部分溶解在多層中，則會影響冷卻速率和微觀結構。

在LPBF工藝中，由于具有高蒸氣壓的元素的蒸發(fā)，成分和微觀結構可能發(fā)生變化。這也增加了未因溶質捕獲現(xiàn)象而蒸發(fā)的元素的百分比。在高溫梯度下，合金元素的均勻分布得到改善。這是由于被稱為馬蘭戈尼效應的效應。還應注意，LPBF工藝中使用的激光器的類型和模式也會影響微觀結構的發(fā)展。在連續(xù)和脈沖模式下處理鎂粉末。當使用恒定波時，形成完全再結晶的晶粒。但當使用脈沖模式時，觀察到顆粒的不完全生成（圖22）。這是因為脈沖模式下的凝固速率高于連續(xù)模式下的固化速率。此外，在脈沖模式下，沒有足夠的時間使顆粒重新排列和排列以達到平衡。在連續(xù)模式下形成的晶粒的平均尺寸高于在脈沖模式下設置的晶粒。與其他增材制造方法相比，LPBF采用更小的激光光斑尺寸和更小的層厚度。這涉及小的熔池形成，并導致更精細的晶粒。層厚度單獨不影響微結構的發(fā)展，直到它與其他參數(shù)的變化相結合。但是，Salvani等人觀察到，層厚度直接影響氧含量并控制微觀結構變化。需要進一步的研究來預測不同情況下不同材料的微觀結構。

圖22 具有連續(xù)和脈沖模式激光的LPBFed零件的微觀結構。

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