綜述：選擇性激光熔化增材制造(SLM)中的掃描策略

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

在增材制造工藝中，能量自高能束轉(zhuǎn)移到加工的材料上。高能量的輸入和非均勻的溫度分布造成巨大的溫度梯度、巨大的熱應(yīng)力和翹曲變形。掃描策略，是AM制造工藝中的一個(gè)加工參數(shù)，對(duì)3D打印部件的顯微組織、機(jī)械性能和殘余應(yīng)力起到至關(guān)重要的作用。因此非常有必要對(duì)當(dāng)前掃描策略在AM中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。這一綜述主要聚焦在SLM工藝過(guò)程中的掃描策略上。不同的掃描策略以及掃描策略對(duì)部件的機(jī)械性能、顯微組織和殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了介紹。最后，一些優(yōu)化掃描策略的建議以獲得更好的性能也基于以上分析給出了一些優(yōu)化掃描策略的建議以獲得更好的性能。

增材制造（AM）是個(gè)性化形狀特征的復(fù)雜部件制造的一種可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的工藝，可以稱之為新一代的工業(yè)革命。金屬的AM制造的兩個(gè)最為常見(jiàn)的工藝是能量直接沉積（directed energy deposition (DED) ）和粉末床打印（ powder bed fusion (PBF)）。能量直接沉積（DED）又可以分為幾個(gè)比較明顯的小類別，如激光近凈成形（laser engineered net shaping (LENS)）、激光固體成形（ laser solid forming (LSF)）、直接光制造（directed light fabrication (DLF)）、直接金屬沉積（direct metal deposition (DMD)）、電子束沉積（ electron beam AM (EBAM)）和絲材+電弧AM制造技術(shù)（ wire + Arc AM (WAAM)）等等。粉末床3D打印技術(shù)也可以分為電子束粉末床打印技術(shù)（electron powder bed fusion (EPBF)或電子束熔化（electron beam melting (EBM)））、選擇性激光熔化（selective laser melting (SLM)）、選擇性激光燒結(jié)（ selective laser sintering (SLS)）和直接金屬燒結(jié)（direct metal laser sintering (DMLS)）。在以上技術(shù)中，SLM技術(shù)是AM技術(shù)發(fā)展中較為迅猛且令人印象深刻，該技術(shù)具有獲得具有精細(xì)顯微組織和較高機(jī)械性能的潛在優(yōu)點(diǎn)。SLM和SLS的主要差別在于SLS并沒(méi)有完全熔化金屬粉末，而SLM則是將粉末進(jìn)行了完全熔化。SLS綜合了結(jié)構(gòu)材料的保留固態(tài)的特性，這一特性是通過(guò)粘結(jié)材料實(shí)現(xiàn)的，但SLM技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了單一部件的完全致密的效果，在制造過(guò)程中粉末顆粒實(shí)現(xiàn)了完全熔化。SLS和DMLS在概念上都是燒結(jié)工藝。因此，自DMLS工藝過(guò)程中，金屬粉末加熱到足夠高的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)熔化以創(chuàng)造出一個(gè)實(shí)體的部件-但不是完全的熔化。

▲圖1.  SLM工藝過(guò)程中的控制參數(shù)

SLM工藝中的掃描策略是本文的主要內(nèi)容。在SLM工藝中，在能量束快速移動(dòng)的過(guò)程中溫度分布會(huì)迅速的改變，從而實(shí)現(xiàn)巨大的溫度梯度的改變，這是因?yàn)楦吣苁�是在局部區(qū)域中產(chǎn)生的，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品中存在較高的殘余應(yīng)力和不均勻的變形。

工藝參數(shù)，諸如激光功率、光斑尺寸、掃描策略等，見(jiàn)圖1所示，都會(huì)對(duì)3D打印的產(chǎn)品產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。優(yōu)化和調(diào)節(jié)這些工藝參數(shù)是一種行之有效的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的致密度、顯微組織和機(jī)械性能。在這些參數(shù)中，掃描策略，是能量束的形狀特征，對(duì)熱溫度梯度具有非常明顯的影響，最終會(huì)影響到部件的質(zhì)量。許多缺陷，諸如巨大的殘余應(yīng)力或者球化效應(yīng)等均可以通過(guò)調(diào)節(jié)AM工藝過(guò)程中的掃描策略來(lái)進(jìn)行控制。

非常有趣的是，研究人員注意到增材制造中的掃描策略方面的研究在近年來(lái)開(kāi)始增加，見(jiàn)圖2所示。此外，期刊Acta Materialia, Additive Manufacturing, Materials Science and Engineering A, Materials和 Materials and Design是最為相關(guān)的且發(fā)表文章最多的期刊，依據(jù)是相關(guān)論文的引用時(shí)間來(lái)確定。此外，文獻(xiàn)中，引用最多的文獻(xiàn)，涉及到AM制造的掃描策略。我們通過(guò)Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)搜索組合的關(guān)鍵詞：“scanning strategy”和 “additive manufacturing,”，出現(xiàn)在文章的標(biāo)題中、摘要和關(guān)鍵詞為準(zhǔn)。通過(guò)這個(gè)辦法，直到2020年發(fā)表的文獻(xiàn)收集到2021年1月3日，我們并沒(méi)有考慮2021年發(fā)表的數(shù)據(jù)。

▲圖2. 在近年來(lái)發(fā)表的關(guān)于掃描策略方面的論文情況，在Scopus中的論文數(shù)量隨著年份的變化而變化，當(dāng)掃描的關(guān)鍵詞為組合scanning strategy”和 “additive manufacturing”，該組合的關(guān)鍵詞出現(xiàn)在標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞中

隨著歲月的流逝，每年發(fā)表的關(guān)于掃描策略方面的數(shù)據(jù)也表明越來(lái)越多的研究人員都在極力的通過(guò)調(diào)節(jié)掃描策略來(lái)提高打印部件的產(chǎn)品質(zhì)量。例如，Segura-Cardenas等人成功的通過(guò)調(diào)節(jié)掃描策略改變了SLM打印的奧氏體不銹鋼的滲透特性。通過(guò)研究掃描策略對(duì)工藝過(guò)程中的溫度、殘余應(yīng)力和的影響，Zhang等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò) 90°的層旋轉(zhuǎn)是非常有必要的來(lái)減少殘余應(yīng)力，偏離。然而，并沒(méi)有綜述是關(guān)于掃描策略對(duì)增材制造影響方面的綜述。因此，我們綜述了當(dāng)前的關(guān)于掃描策略方面的綜述，聚焦在掃描策略對(duì)顯微組織、機(jī)械性能和殘余應(yīng)力方面的影響。此外，掃描策略在增材制造中的知識(shí)鴻溝也在本文中給予了介紹。

掃描策略是能量束（激光束、電子束、電�。┑仍诳臻g的移動(dòng)軌跡。對(duì)于單層的掃描，掃描策略通過(guò)不同的掃描方向、掃描序列、掃描矢量角度的變化、掃描矢量的長(zhǎng)度、掃描時(shí)間、掃描間距等實(shí)現(xiàn)考慮到內(nèi)容、引用時(shí)間和發(fā)表日期，我們選擇了幾個(gè)代表性的不同的掃描策略進(jìn)行綜述研究。

我們將常見(jiàn)的來(lái)自文獻(xiàn)中的掃描策略示意的繪制在圖3中。對(duì)于這些掃描策略的具體描述和區(qū)別，激光紅就不在一一描述了。

▲圖3. 各種不同的掃描策略

我們同時(shí)綜述了掃描策略中的掃描間距的影響。掃描間距的尺寸對(duì)相鄰熔道的再熔具有非常直接的影響，從而進(jìn)一步的影響到晶粒尺寸和形貌。在AM工藝過(guò)程中，在實(shí)踐中掃描策略可以將不同的掃描策略組合起來(lái)。例如，Zrodowski等人提出了一個(gè)新穎的掃描策略，包括一個(gè)島狀的掃描策略，緊隨其后的是一個(gè)點(diǎn)-隨機(jī)的掃描策略，這一策略的好處是限制了在熱影響區(qū)（heat-affected zone (HAZ)）的晶化和減少了過(guò)熱。Lee等人發(fā)展了一個(gè)隨機(jī)的光柵掃描，可以是一個(gè)光柵和一個(gè)隨機(jī)的點(diǎn)熔化掃描的組合。

不同的掃描策略之間最為明顯的差別在于重新熔化的嚴(yán)重程度，這會(huì)使得冷卻速率和局部的熱處理變得存在差別。在每一層形成之后進(jìn)行激光重熔會(huì)提高部件的致密度，減少處理表面的粗糙度和缺陷。例如，報(bào)道的多光束掃描直接導(dǎo)致了重熔過(guò)程，這對(duì)降低氣孔、光滑表面和提高AM制造部件的可靠性非常有幫助。此外，當(dāng)適應(yīng)旋轉(zhuǎn)掃描策略的時(shí)候，氣孔也會(huì)存在更加分散均勻的特點(diǎn)以及他們的尺寸會(huì)相對(duì)的被減小。

在本文中，當(dāng)前的關(guān)于SLM掃描策略的研究主要是從三個(gè)不同的方面進(jìn)行的。此外，在EBM和DMLS中的一些掃描策略和其他的成形工藝也在本綜述中給予了介紹。圖4為本文所討論的幾個(gè)主要的方面，分別是掃描策略對(duì)顯微組織、殘余應(yīng)力和機(jī)械性能的影響。

▲圖4. 本文所討論的掃描策略對(duì)制造產(chǎn)品的影響造成的效果的三個(gè)主要方面的示意圖

掃描策略對(duì)顯微組織的影響
熱溫度梯度、熱流的方向和冷卻速率對(duì)制造部件的位錯(cuò)密度、晶粒尺寸、凝固胞尺寸、晶粒長(zhǎng)寬比和織構(gòu)指數(shù)等均具有十分重要的影響。通常來(lái)說(shuō)，溫度梯度對(duì)凝固速率的比值比較低的時(shí)候和較高的冷卻速率時(shí)對(duì)細(xì)化晶粒有幫助的，并有利于減少織構(gòu)的強(qiáng)度，這是因?yàn)榇藭r(shí)的凝固模式從柱狀晶向等軸晶進(jìn)行改變。

不同的研究已經(jīng)實(shí)施，表明掃描策略對(duì)打印結(jié)構(gòu)的熱行為、致密化和顯微組織存在影響。

▲圖5. 改變掃描間距對(duì)打印部件的相對(duì)密度/氣孔率的影響

▲圖6. a 掃描 “O”; b 掃描 “X”; c 在頂部和橫截面的相對(duì)致密度（通過(guò)金相分析的手段進(jìn)行的）; d 采用兩種策略制造的樣品的顯微硬度；沉積態(tài)樣品的在使用掃描策略時(shí)得到的SEM照片；e “O” 和 f “X”. 馬氏體的分布(紅色d) 和殘余奧氏體（綠色） ，觀察的微打印樣品的橫截面，使用的掃描策略為 g “O” 和 h 掃描 “X”.

掃描策略對(duì)殘余應(yīng)力的影響
在SLM制造工藝過(guò)程中，由于熔池的快速加熱和快速冷卻造成的高溫溫度梯度會(huì)誘導(dǎo)殘余應(yīng)力的形成。打印部件的殘余應(yīng)力也同時(shí)同材料的顯微組織和結(jié)構(gòu)的形狀相關(guān)。高溫溫度梯度會(huì)造成較高的殘余應(yīng)力，從而造成機(jī)械性能，如強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。數(shù)值模擬，作為一個(gè)有力的工具可以用來(lái)預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品部件的殘余應(yīng)力和變形，已經(jīng)被許多研究人員用來(lái)研究AM制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力。由此，掃描策略對(duì)殘余應(yīng)力的影響研究的相對(duì)比較多。

圖7.（a）單向掃描策略; (b) 雙向掃描策略; (c)改變掃描路徑; (d) 溫度梯度和熔池在 0.0106 s 的時(shí)候自總時(shí)間為f 0.0136 s; (e) 沿著線AB和CD自三個(gè)不同的路徑沿著基板的變形, 在冷卻到室溫和位移受限得到釋放; (f) 三個(gè)不同的掃描路勁在底部表面的垂直變形；表示垂直掃描的序列: (g) 來(lái)回改變; (h) 在間歇策略的矢量長(zhǎng)度為1.0mm的時(shí)候; (i)在間隙掃描策略的矢量長(zhǎng)度為0.1mm的時(shí)候. 在基材底部表面的垂直變形: (j)交替; (k) 間隙掃描策略的矢量長(zhǎng)度為1.0m; (l) 間隙掃描策略的矢量長(zhǎng)度為0.1mm的結(jié)果; (m) 沿著AB和CD線時(shí)，三個(gè)不同的掃描路勁得到的基板的變形，冷卻到室溫和位移限制得到釋放

Jia, H., Sun, H., Wang, H. et al. Scanning strategy in selective laser melting (SLM): a review. Int J Adv Manuf Technol 113, 2413–2435 (2021). https://doi.org/10.1007/s00170-021-06810-3