粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（10）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：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，這導致人們越來越關注AM零件在安全關鍵、承載應用中的適用性。有人認為，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AM材料在這些狀態(tài)下的疲勞強度進行臨界評估對于確保高水平的耐久性和圍繞運行壽命周期進行規(guī)劃至關重要。疲勞失效過程包括三個階段，即：裂紋萌生、裂紋擴展和最終斷裂。后兩個階段與低周疲勞（LCF）下的材料更為相關。

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寬的工藝窗口，以制造更大的物品。此外，DLD 在加工過程中為零件提供了相對較小的熱影響區(qū)（HAZ）、出色的密度和冶金結合、對組件的影響最�。ɡ缱冃�、微裂紋）和精確的沉積——使其成為修復高價值組件的絕佳工具。目前使用 DLD 進行增材制造或修復的一些缺點是粉末效率相對較低，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Ti-6Al-4V，如圖98所示。KIc與構建方向、表面條件和后處理條件存在顯著相關性[。斷裂韌性的各向異性被發(fā)現(xiàn)部分源自LOF缺陷的存在。結果表明，在進行應力消除熱處理后，所有試樣取向下的斷裂韌性值均在合理范圍內。這也突出了殘余應力和后續(xù)熱處理在斷裂韌性值中的關鍵作用。

圖98（a）常見AM和鍛造合金的平面應變斷裂韌性（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，允許評估AM誘發(fā)缺陷的潛在影響（如有）。如圖99（a）所示，不同來源報告的Ti-6Al-4V（方形標記類型）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)點中，當試樣的孔隙率從0.001%增加到1%時，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（黑色水平線和灰色帶表示變形數(shù)據(jù)的平均值和標準偏差）。

圖99 （a）通過L-PBF和E-PBF制造的三種金屬的平面應變斷裂韌性（KIc）與孔隙率百分比的關系圖。（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，因為它們在斷裂表面上都是圓形的，鎖孔的細長特征可能會被掩蓋。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始，通常超過體積缺陷的影響。

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。

微觀結構的顯著變化以及缺陷的尺寸和形狀，導致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構建、從構建到構建、從機器到機器以及從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。所有加工技術在非HT條件下產生的材料疲勞強度顯著較低，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：Ti-6Al-4V、17–4 PH SS和合金718。

如圖101所示，HIP通過減小孔隙尺寸和細化缺陷附近的微觀結構，既提高了疲勞強度，又減少了散射。已經表明，對于具有顯著延展性的AM材料，如304L SS和316L SS，疲勞抗力可能不會受到缺陷的顯著影響。缺陷尺寸對各種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）技術制造，而不考慮應力比。

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模型進一步說明缺陷的影響。盡管文獻中大量報道了AM材料的疲勞性能，但硬度數(shù)據(jù)并不總是適用于每個疲勞數(shù)據(jù)點。為了糾正這一點，首先根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)獲得每種材料的UTS–HV相關性，并使用已知強度數(shù)據(jù)填充缺失的HV值。當強度也不可用時，指定特定構建和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模型預測值的對比。

8.2.腐蝕行為

粉末床熔煉AM工藝中產生的獨特微觀結構和宏觀缺陷結構會對使用中零件的退化行為產生強烈影響。本節(jié)回顧了粉末床AM中使用的結構材料（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。由于AM零件的微觀結構不同于鑄造或金屬成形所產生的微觀結構，因此材料對腐蝕環(huán)境的反應也不同。

鐵基合金。除少數(shù)例外，腐蝕試驗結果僅限于17–4 PH和316L不銹鋼。這些合金廣泛用于L-PBF AM。不銹鋼通過一層稱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型的環(huán)境以及鍛造和L-PBF合金的比較上。

基于DLD過程中傳熱的重要性，通過熱診斷/監(jiān)測進行的實時無損評估（NDE）繼續(xù)有助于預測制造后的性能。因此，熱行為的控制提供了一種確保產品可重復性和質量的方法。熔池中可測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。零件內的殘余應力也可以通過監(jiān)測和控制固有的DLD溫度來控制。

通過DLD對薄壁進行數(shù)值建模。

Schaller等人對17–4 PH不銹鋼（沉淀硬化馬氏體等級）進行了L-PBF零件孔隙率及其對腐蝕影響的詳細研究。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蝕電位。這項研究的一個重要發(fā)現(xiàn)是，與較小的氣孔相比，更大的未熔合氣孔對耐蝕性影響更大。這可以通過在樣品表面上有孔和無孔的特定區(qū)域進行微電子化學測試來說明。結果如圖104所示。與半球形氣孔相比，LOF氣孔的不規(guī)則形狀會導致更多的閉塞區(qū)域。

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

對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構特征，沒有出現(xiàn)優(yōu)先腐蝕。L-PBF奧氏體不銹鋼的顯微結構由相對較大的柱狀奧氏體晶粒組成，具有胞狀亞結構，通常含有一些鐵素體。在細胞間區(qū)域觀察到Cr和Mo的微偏析，這些區(qū)域也具有高的位錯密度。

Laleh等人報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。在長期敏化熱處理后，L-PBF處理的316L未檢測到富含鉻的沉淀物。商用316L合金的DL-EPR測試后的顯微鏡觀察表明，存在連續(xù)的開槽晶界網絡，凹槽深深地延伸到塊體中，而在AM試樣中則不太明顯。這種行為的一個可能假設可能是L-PBF處理的316L中的高頻率孿晶邊界和低角度晶界以及細晶粒（圖105）。

圖105 （A）DL-EPR試驗后的光學顯微照片（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量攻擊深度。

據(jù)報道，L-PBF不銹鋼的耐腐蝕性通常低于相同等級的鍛造合金。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裂紋萌生和應力腐蝕開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應用中最常見的鋁合金。最感興趣的行為是在氯化物溶液中的點蝕，通常是NaCl水溶液或Harrison溶液。通常有兩類研究。第一類側重于L-PBF處理材料與具有相似成分的鍛造或鑄造合金的比較。第二類研究AM相關工藝變量，最常見的表面條件（例如取向、粗糙度）和后成型熱處理。鋁合金的一個主要腐蝕問題是在含有氯化物離子的溶液中的點蝕，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。這歸因于精細的微觀結構長度尺度和沒有金屬間顆粒。鋁合金的耐點蝕性和陰極活性金屬間沉淀物的中心作用已經得到了很好的研究，并在最近進行了綜述。一般來說，鐵和銅雜質是這些金屬間化合物的主要原因。

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

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

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

除了對金屬間化合物的影響外，L-PBF處理后合金的微觀結構也顯著細化，這也被認為有助于提高耐蝕性。L-PBF處理的AlSi10Mg的微觀結構由α-鋁細胞組成，其細胞間網絡為硅。相鄰熔池軌跡邊界處的蜂窩網絡間距通常比熔池中的更粗。如圖106所示，經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）處的粗化微觀結構，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)研究得出結論，粗糙的竣工表面對耐腐蝕性有害。粗糙的竣工表面被認為會導致更多不規(guī)則的鈍化層，并導致更大的陰極面積。Fathi等人報告了相反的結果，他們認為部分熔化和氧化的粉末顆粒會形成更具保護性的被動層。Fathi等人研究了表面光潔度和暴露表面形態(tài)對鹽水溶液的影響（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系。（C）顯示熔池尺寸和形態(tài)的橫截面光學顯微照片。（D）陽極動電位極化曲線和循環(huán)極化曲線取自浸沒在3.5wt%NaCl溶液中的樣品表面。（E）陽極極化試驗后，從頂部表面（上表皮層）拍攝的SEM圖像顯示了樣品上的點蝕和選擇性腐蝕以及熔池邊界，順序為表面1<規(guī)則<表面2樣品。

耐腐蝕性的提高與L-PBF處理的AlSi10Mg的微觀結構中細Si顆粒的均勻分布有關，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道。Rubben等人給出了矛盾的結果，其中在300°C下進行2小時的應力消除處理對耐蝕性有不利影響。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）應力消除試樣在300°C下浸泡2小時的SEM顯微照片。（C）當（A-d）存在連接的硅網絡和（e-h）硅形成單獨的沉淀（黑色表示硅相）時，提出的腐蝕機制。

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。這一結論是基于圖109(a, b)所示的開路電位持續(xù)增加，無源電流密度較高，擊穿電位較低的結果得出的。

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

鎳合金。關于通過AM工藝生產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)境開裂。經L-PBF處理的合金625在恒定位移試驗下耐環(huán)境斷裂，且其耐腐蝕疲勞性略低于鍛造對應材料。L-PBF處理的合金718證明，構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單一的Cr2O3鈍化層，內部氧化最小，而溶液處理+老化樣品顯示了兩個氧化物層，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，在HIPed+老化樣品的晶界和晶粒內存在TiC，在早期氧化階段起到了氧化物成核點的作用，并抑制了氧離子的內部擴散（見圖111）。

圖110 合金718氧化過程中報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，隨后進行（A）固溶處理+時效和（B）HIPed+時效的后熱處理。

9.當前的挑戰(zhàn)、差距和未來趨勢
盡管在理解和控制金屬PBF中的缺陷方面取得了重大進展，但我們仍遠未達到通過合理設計印刷一致、可靠和高性能金屬部件的最終目標。我們確定以下領域為縮小這一差距的未來研究方向示例：

零件尺寸缺陷的形成和預測。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。這對零件/工藝鑒定和認證提出了巨大挑戰(zhàn)。對零件尺寸上的缺陷形成有更深入的了解是至關重要的。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）以及整個構建區(qū)域上的環(huán)境氣體流動（雜質水平、流速、流型等）的變化可能對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/納米級缺陷的形成和預測。原子和納米級缺陷（例如，位錯、化學偏析、納米級污染）已在額外制造的金屬中觀察到。關于這些缺陷在快速循環(huán)加熱和冷卻過程中如何形成和演變的細節(jié)尚不清楚�，F(xiàn)場實驗和多尺度模擬相結合對于理解地層機理和發(fā)展預測能力是必要的。

零件尺寸中所有類型缺陷的空間分布。當前的研究結果主要顯示零件/構造的某些區(qū)域中的缺陷或零件中特定類型缺陷（例如孔隙）的分布。零件中的缺陷類型、缺陷尺寸和缺陷量預計會發(fā)生顯著變化。揭示零件尺寸中所有類型缺陷的空間分布對于開發(fā)更準確的模型以預測附加制造零件的機械性能至關重要。

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應物的一半左右，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鍵部件的應用。需要作出重大努力，以開發(fā)新的方法來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產生新特性。

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。過去幾年，單個原位表征技術（例如，x射線成像/衍射、可見光成像、熱成像）揭示了關于缺陷形成和演化的重要見解。不同原位技術的集成對于獲得不同規(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重要。開發(fā)多尺度和多模式現(xiàn)場監(jiān)測工具是一項持續(xù)努力，并將在未來繼續(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制、識別商業(yè)機器中缺陷監(jiān)測的關鍵信號以及建立特定位置的加工微結構關系做出重要貢獻。

模擬、預測和減少飛濺。飛濺是PBF工藝中質量不確定性的主要原因。近年來，先進的原位表征工具在揭示飛濺形成機理方面取得了重大進展。然而，預測其形成、尺寸和粉末床上的著陸點以及量化其對零件性能的影響仍然是一個挑戰(zhàn)。需要作出巨大努力來開發(fā)能夠定量預測飛濺的模擬工具，并開發(fā)有效的方法來減輕甚至消除PBF過程中最有害的飛濺。解決飛濺引起的缺陷是開發(fā)可靠PBF技術的關鍵步驟。

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法很好地捕捉這些不確定性。概率模擬考慮了輸入參數(shù)和隨機事件的概率分布，有可能解決PBF過程中的不確定性問題。開發(fā)概率模型以預測PBF過程中的缺陷需要大量努力。概率模型將為工藝參數(shù)設計和性能預測提供重要信息和指導。

橫移速度對模擬的碳基鋼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。

屬性預測。雖然人們已經投入了很多努力來開發(fā)模型來預測添加制造的金屬的性能，但精確預測增材制造金屬的性能仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。隨著對缺陷特征、空間分布及其對附加制造金屬性能的影響有了更深入的了解，有必要進行重大研究，將這些發(fā)現(xiàn)整合到性能預測模型中，以提高預測精度。

機械性能評估。大多數(shù)標準建議使用具有一定最小標距直徑和長度的試樣，以便在標距處具有足夠的材料，因此，正在測試足夠體積的材料（例如，足夠數(shù)量的顆粒）。以下是潛在的挑戰(zhàn)：（1）如果試樣單獨制造，則由于受幾何和設計因素影響的熱歷史差異，它們不能代表零件中感興趣點的特性。因此，最好的做法是從那些感興趣的地方切除標本。在這種情況下，每個樣品需要一個零件，這會顯著增加成本/時間。（2）傳統(tǒng)的載荷框架和夾具不適合測試這些試樣，因此需要專門的載荷框架與夾具進行測試。（3）由于其測量截面較小，操作員無法連接伸長計并測量應變。因此，需要非接觸式伸長計（例如視頻伸長計）來測量應變。

機器學習。PBF AM工藝中工藝參數(shù)、缺陷特征和性能之間的相關性非常復雜。目前已經收集了大量數(shù)據(jù)。先進的機器學習工具具有從大數(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非�；钴S的研究領域。上面列出的主題只是未來研究方向的幾個例子。我們預計未來會出現(xiàn)許多新的研究方向。我們預計，社區(qū)研究人員的集體努力將克服PBF AM技術面臨的挑戰(zhàn)。

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：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.