激光制造鋼的工藝進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)（1）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文探討了激光制造鋼的工藝進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)。

盡管許多行業(yè)對(duì)激光增材制造(LAM)產(chǎn)生了濃厚的興趣，推動(dòng)了鋼的需求和進(jìn)步，但仍存在一些障礙，如缺陷、殘余應(yīng)力、分散、不充分或/和各向異性性能等，限制了當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用。為了克服這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了幾種有效的方法來(lái)控制和/或提高LAM生產(chǎn)的鋼構(gòu)件的性能。為了幫助研究人員和工程師在這一快速發(fā)展的領(lǐng)域獲得最新的信息和知識(shí)，本文概述了當(dāng)前鋼的LAM研究，特別是奧氏體鋼、鐵素體鋼、雙相鋼和馬氏體鋼的研究，重點(diǎn)是理解工藝、鐵素體鋼和馬氏體鋼之間的相互關(guān)系，以及顯微組織與機(jī)械性能。本文還討論了工藝參數(shù)、相互作用和后處理對(duì)合金的冶金、組織和性能的影響。此外，本文還著重介紹了鋼的LAM技術(shù)的進(jìn)展、面臨的挑戰(zhàn)和前景。

介紹
在過(guò)去的20年里，增材制造(AM)被認(rèn)為是一種革命性的制造技術(shù)，因?yàn)樗�與傳統(tǒng)的減材工藝相比具有優(yōu)勢(shì)，如零件從概念到市場(chǎng)交付速度的提高，生產(chǎn)具有高幾何復(fù)雜性的物體的能力，在制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢物更少。在當(dāng)前的AM工藝中，基于激光的增材制造(LAM)是一種快速發(fā)展的AM技術(shù)，用于制造復(fù)雜形狀的金屬部件，修復(fù)損壞的部件和快速加工航空、汽車(chē)、電子和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。激光的誕生可以追溯到1960年Theodore Maiman發(fā)明的激光。此后，在過(guò)去的幾十年里，激光被廣泛應(yīng)用于材料加工，如激光切割、激光焊接、激光熱處理、激光熔覆、激光表面熔化和合金化。激光焊接和激光表面合金化的發(fā)展啟發(fā)了快速成型的概念，旨在快速制造物理零件的比例模型。這一概念直到20世紀(jì)80年代才由Chuck Hull實(shí)現(xiàn)，他開(kāi)發(fā)了一種使用紫外線(UV)激光將光聚合物固化成3D形狀的立體光刻技術(shù)。從那時(shí)起，LAM技術(shù)經(jīng)歷了超過(guò)30年的發(fā)展，現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)有能力從多種材料中可靠地制造致密零件，包括各種合金，陶瓷，金屬基復(fù)合材料和功能梯度材料。

通過(guò)基廷模擬棕櫚樹(shù)的徑向密度梯度變化致密化FGAM混凝土。

FGAM可以是一種受生物啟發(fā)的快速制造，模仿在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)，如棕櫚樹(shù)的徑向密度梯度，骨的海綿狀小梁結(jié)構(gòu)或肌肉的組織變化。不同密度的FGAM可以通過(guò)調(diào)整晶格排列和改變支柱幾何形狀來(lái)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時(shí)也減少了整體重量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)。這可以在圖2中舉例說(shuō)明，其中使用改進(jìn)的3D打印機(jī)制作的3D打印混凝土，展示了棕櫚樹(shù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的徑向密度梯度概念。從堅(jiān)固的外部到多孔核心的逐漸過(guò)渡導(dǎo)致了優(yōu)異的強(qiáng)度與重量比，使混凝土更輕、更高效、更強(qiáng)。

目前報(bào)道的最常見(jiàn)的LAM合金包括鐵合金、Ti合金、Ni合金、Cu合金和Al合金。作為幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的金屬材料家族，LAM生產(chǎn)的黑色金屬產(chǎn)品具有許多工業(yè)應(yīng)用的潛力。與傳統(tǒng)的制造方法相比，LAM的特殊特性，包括粉末原料與激光束的相互作用、快速/高冷卻速度、層的逐步堆積和多次熱循環(huán)，產(chǎn)生了獨(dú)特的和有區(qū)別的顯微組織和機(jī)械性能。例如，與常規(guī)生產(chǎn)的鋼相比，LAM加工的大多數(shù)鋼(如奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼)表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，特別是抗拉強(qiáng)度。這是由于在LAM過(guò)程中產(chǎn)生了獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，具有高密度位錯(cuò)、胞狀結(jié)構(gòu)、細(xì)晶粒、可調(diào)織構(gòu)和相成分等特征。

此外，LAM可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜幾何形狀的鋼構(gòu)件的近凈形狀成形。因此，LAM是許多工業(yè)應(yīng)用的途徑，如超高強(qiáng)度部件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具、渦輪部件、加工工具、具有復(fù)雜幾何特征的多孔部件和功能梯度部件。為了充分利用金屬AM的優(yōu)勢(shì)，目前對(duì)LAM鋼的研究主要集中在具有高強(qiáng)度和高韌性、高硬度/耐磨性、高耐蝕性、高焊接性等性能和特殊性能的鋼上。普通碳素鋼和其他低合金鋼的動(dòng)態(tài)損傷研究很少。如圖1所示，研究最廣泛的LAM鋼是不銹鋼(如奧氏體316鋼、17-4 PH鋼)、馬氏體時(shí)效鋼(如18Ni-300)和工具鋼(如H13和M2)。值得注意的是，大多數(shù)此類(lèi)鋼產(chǎn)品仍處于開(kāi)發(fā)的早期階段，因?yàn)槿杂幸恍┨魬?zhàn)需要解決，包括確保通過(guò)LAM生產(chǎn)的產(chǎn)品具有足夠的韌性和疲勞性能。與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等生產(chǎn)工藝相比，由于冶金因素復(fù)雜，LAM生產(chǎn)的鋼的組織和性能更難控制。因此，進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)仍在進(jìn)行中。

圖1 (a)發(fā)表關(guān)于各類(lèi)鋼材LAM的論文數(shù)量;(b)不同類(lèi)別鋼的LAM研究工作所占的百分比。數(shù)據(jù)來(lái)自2020年4月之前發(fā)表的論文。

在過(guò)去的幾年里，發(fā)表了幾篇關(guān)于金屬AM的優(yōu)秀評(píng)論，其中提到了鋼AM，重點(diǎn)是不銹鋼(如316L SS, 17-4 PH值)和工具鋼(如H13)。這些評(píng)論有效地幫助研究人員和工程師快速獲得更全面和最新的金屬AM知識(shí)。然而，針對(duì)鋼的文獻(xiàn)綜述較少，對(duì)鐵素體鋼、馬氏體鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼等其他鋼的AM研究成果也較為豐富。鋼LAM的快速發(fā)展在過(guò)去的兩年里產(chǎn)生了相當(dāng)多的新知識(shí)。此外，LAM過(guò)程中可能有10個(gè)以上的過(guò)程變量，其中大部分在缺陷的形成、應(yīng)力場(chǎng)和組織演化(如晶粒形貌、織構(gòu)、相成分、位錯(cuò)形成)中發(fā)揮重要作用。然而，之前發(fā)表的評(píng)論集中在最典型的加工參數(shù)(如激光功率、掃描速度、進(jìn)給速度)。此外，近年來(lái)還發(fā)展了許多提高材料性能的新方法，包括預(yù)熱、后處理和混合方法。因此，對(duì)鋼的LAM進(jìn)行全面的綜述是必要和必要的。

金屬瞬變發(fā)光技術(shù)是基于粉末冶金、激光束焊接、激光表面合金化和熔覆以及原型技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，在加工條件方面，瞬變發(fā)光技術(shù)與這些技術(shù)有一些相似之處。例如，直接激光沉積(DED) LAM技術(shù)與多道次激光焊接和激光堆焊相似，只是前者的熔化規(guī)模較小。而粉末層熔敷(PBF)過(guò)程中初始層的形成過(guò)程與激光表面合金化和熔覆過(guò)程相似。

不同的是，PBF LAM，今后稱(chēng)為L(zhǎng)-PBF，總是在平面表面上工作，但激光表面合金化和熔覆可以在復(fù)雜的表面上進(jìn)行。因此，這些技術(shù)具有相同的加工特征，如激光-材料相互作用、定向凝固和快速加熱/冷卻，因此也具有相似的冶金特征，如熔體池(或焊接池)內(nèi)的細(xì)化組織和織構(gòu)晶粒，沿熔池邊界的熱影響區(qū)和未熔合孔。因此，現(xiàn)有的激光焊接、激光表面合金化和熔覆方面的知識(shí)可以幫助我們更好地理解激光焊接的一些特性。

此外，LAM與焊接和表面涂層技術(shù)也有一些不同。一般來(lái)說(shuō),L-PBF過(guò)程與高掃描速度有關(guān),通常1 m s - 1的順序,小點(diǎn)尺寸(激光聚焦)100μm的順序,和高度集中的低功率(<400 W)激光束,以確保訂單的部分的尺寸精度高～100μm。然而，在激光焊接中，功率和光束尺寸通常要大得多;最大50kw和更大的光斑尺寸，可達(dá)幾毫米，以在單位時(shí)間內(nèi)沉積盡可能多的材料，以快速連接兩個(gè)金屬片。因此，與焊接相比，L-PBF通常具有更小的熔化規(guī)模(數(shù)十至數(shù)百微米)和更高的冷卻速度(~ 106 K s-1)在凝固過(guò)程中。這導(dǎo)致了不尋常的、超細(xì)的微結(jié)構(gòu)，例如Want等人報(bào)道的316L不銹鋼的亞微米級(jí)胞狀結(jié)構(gòu)。

此外，與激光表面合金化或熔覆不同的是，當(dāng)沉積了多層時(shí)，沉積材料在LAM過(guò)程中經(jīng)歷了更復(fù)雜的熱循環(huán)。這極大地影響了材料中的相成分，包括固相到固相的轉(zhuǎn)變，特別是在鋼中。雖然多道次焊接過(guò)程中也有多次沉積(重復(fù)加熱/熔化)，但沉積道次的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LAM。在LAM過(guò)程中，基板作為一個(gè)有效的散熱器，將熱從熔池中傳遞出來(lái)。隨著沉積層的形成，新層作為新的基底，改變了熱釋放，從而改變了凝固冷卻速率。

因此，可以在LAM制作的零件中引入梯度組織和機(jī)械性能。此外，從所用的原材料來(lái)看，LAM中最常見(jiàn)的是金屬粉末作為原材料，而激光焊接通常使用大塊金屬或金屬絲。此外，焊縫兩側(cè)的熔體區(qū)被固體金屬包圍，而在LAM中，熔體池被基體/之前建立的下層以及當(dāng)前層或周?chē)�金屬粉末剛固化的熔體池包圍。因此，有必要結(jié)合上述材料與熱源的相互作用、快速凝固、層序疊加和多次熱循環(huán)等獨(dú)特的制備特點(diǎn)，對(duì)LAM凝固過(guò)程中的物理冶金學(xué)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。這為了解LAM成形件的組織演變和性能提供了基礎(chǔ)和新思路。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外鋼AM的研究進(jìn)展，為讀者提供了這一領(lǐng)域的前沿知識(shí)。重點(diǎn)研究了高強(qiáng)度鋼的LAM加工工藝、LAM生產(chǎn)的零件的顯微組織和機(jī)械性能，以及它們之間的相關(guān)性。由于出版物數(shù)量有限，普通碳素鋼和普通低合金鋼不包括在內(nèi)。值得注意的是，功能梯度鐵構(gòu)件因其特殊的應(yīng)用和傳統(tǒng)以及LAM工藝制造的困難而引起了研究的關(guān)注，因此本文也對(duì)其進(jìn)行了綜述。本綜述從LAM加工開(kāi)始，研究了各個(gè)LAM加工參數(shù)及其相互作用對(duì)LAM生產(chǎn)鋼的尺寸精度、缺陷、殘余應(yīng)力、組織和機(jī)械性能的影響。在此基礎(chǔ)上，綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究最廣泛的幾種鋼的動(dòng)態(tài)相變研究進(jìn)展，包括冶金機(jī)理、顯微組織和機(jī)械性能等方面的討論。在最后一節(jié)，總結(jié)和討論了最近提出的進(jìn)一步提高鋼的性能的前、后和混合LAM工藝。根據(jù)作者對(duì)鋼鐵金屬電解加工的最新知識(shí)的了解，提出了鋼鐵金屬電解加工這一先進(jìn)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)和潛在問(wèn)題，作為促進(jìn)鋼鐵金屬電解加工工業(yè)應(yīng)用的未來(lái)研究課題。

LAM過(guò)程
LAM工藝將通常為粉末或金屬絲的原料，在激光的幫助下，通過(guò)熔化和凝固，一層一層地固化成一個(gè)致密的金屬部分。在過(guò)去的幾十年里，人們用不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這一過(guò)程。因此，本節(jié)從術(shù)語(yǔ)解釋開(kāi)始，然后簡(jiǎn)要介紹兩種典型的LAM過(guò)程(即粉末床融合和直接能量沉積)。金屬LAM的基礎(chǔ)知識(shí)由Gu、Shamsaei、Dirk和DebRoy進(jìn)行了全面的綜述，包括加工機(jī)理、原料、熱源特性、傳熱傳質(zhì)原理、溫度場(chǎng)、過(guò)程穩(wěn)定性等。然而，之前的綜述都沒(méi)有全面地總結(jié)過(guò)程變量的影響，包括大多數(shù)單個(gè)的過(guò)程參數(shù)及其相互作用，以及一些無(wú)量綱參數(shù)。因此，本節(jié)重點(diǎn)討論了工藝參數(shù)對(duì)LAM鋼熔體池尺寸和性能(如孔隙率、熱梯度、殘余應(yīng)力、變形、組織和機(jī)械性能)的影響。本文的總結(jié)和討論也將為其他合金體系的LAM研究人員和工程師提供有價(jià)值的參考，特別是參數(shù)優(yōu)化。

粉末增材制造中的熱傳遞與熔池動(dòng)力學(xué)。

如上圖，對(duì)流流動(dòng)將來(lái)自不同區(qū)域的液態(tài)金屬混合在一起，增強(qiáng)了熔池內(nèi)的熱傳遞。循環(huán)模式對(duì)液態(tài)合金中的溫度分布、加熱和冷卻速率、凝固模式以及鑄體的組織和性能有重要影響。因此，三維溫度場(chǎng)的精確計(jì)算需要傳熱方程和流體流動(dòng)方程的全耦合解。在大多數(shù)計(jì)算中，為了使計(jì)算易于處理，都作了一些簡(jiǎn)化。例如，固體和液體金屬的密度被假設(shè)為恒定的，因?yàn)檫@個(gè)假設(shè)節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，但不會(huì)降低結(jié)果的準(zhǔn)確性。沉積層的表面通常被認(rèn)為是平坦的。在許多情況下，這一假設(shè)對(duì)溫度場(chǎng)和冷卻速率沒(méi)有顯著影響。由于合金元素汽化的熱效應(yīng)也被忽略，因?yàn)榕c來(lái)自熱源的輸入能量相比，這種效應(yīng)通常很小。

典型LAM方法概述
在過(guò)去二十年，大量不同的術(shù)語(yǔ)被發(fā)明家/機(jī)構(gòu)提出。然而，這些技術(shù)的原理在根本上是相似的，并在表1中進(jìn)行了分類(lèi)和總結(jié)。根據(jù)ASTM F2792-12a標(biāo)準(zhǔn)，金屬AM在給料機(jī)理上主要涉及兩大類(lèi)。它們分別是粉末床融合(PBF)和直接能量沉積(DED)。前者使用高能量密度束流將預(yù)鋪展粉床層掃描到所需的輪廓，然后重復(fù)鋪展和掃描后續(xù)層，直到整個(gè)部分形成。而后者則是利用聚焦的高能束同時(shí)熔化和沉積給料金屬，這些金屬可以是金屬絲(直接注入)或粉末(通過(guò)單個(gè)或多個(gè)噴嘴注入)，形成基板或現(xiàn)有的層。在目前的綜述中，重點(diǎn)是基于激光的調(diào)幅技術(shù)，而調(diào)幅技術(shù)與其他能源，如電子束、等離子體或電弧不包括在內(nèi)。因此，為了避免歧義，在本文中使用了L-PBF和L-DED這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)專(zhuān)門(mén)指代基于激光的技術(shù)。

表1 LAM技術(shù)由不同的發(fā)明者/機(jī)構(gòu)命名。

以選擇性激光熔化(SLM)作為典型的L-PBF系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述了該技術(shù)的原理。如圖2(a)所示，在SLM過(guò)程中，對(duì)聚焦的激光束進(jìn)行編程，使以熔池為最小熔化單元的預(yù)鋪粉床表面選擇性熔化。在第一層的熔化和凝固完成后，構(gòu)建板逐漸降低，并在粉末層上鋪開(kāi)另一層粉末層，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到設(shè)計(jì)好的固體組件構(gòu)建完成。L-PBF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸精度高，表面光潔度好，能夠生產(chǎn)具有低變形的復(fù)雜部件。與L-DED相比，L-PBF系統(tǒng)中典型的光斑尺寸(50-180μm)相對(duì)較小，熔體池較小(圖3(a))，分辨率更高，表面更光滑。此外，可以很容易地打印出網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐懸垂部分，這對(duì)于制造具有內(nèi)部通道和多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜部件至關(guān)重要。這些支撐結(jié)構(gòu)也限制了由熱應(yīng)力引起的3d打印組件的變形。然而，L-PBF系統(tǒng)也存在一些缺陷，如工藝效率低，如果工藝參數(shù)不優(yōu)化，會(huì)出現(xiàn)球化現(xiàn)象或熔合缺陷。一般情況下，L-PBF制件的成球與高孔隙率有關(guān)，這可能是由于表面張力降低了表面能而導(dǎo)致熔跡收縮所致。根據(jù)Li和同事的研究，可以通過(guò)增加激光能量密度來(lái)抑制球化，這將在下一節(jié)中討論。

圖2 L-PBF (a)和L-DED (d)工藝示意圖。

圖3 (a) L-PBF，(b,c) L-DED和(d-f)激光焊接在不同工藝參數(shù)下制備的鋼熔體熔池形貌的變化。(a)中的數(shù)字表示熔體池對(duì)應(yīng)的激光功率(W)。

與L-PBF相比，L-DED技術(shù)在送料方式上有所不同。如圖2(b)所示，在L-DED過(guò)程中，金屬原料(如粉末或金屬絲)通過(guò)噴嘴注入，然后在高能激光束的保護(hù)下，在惰性氣氛(一般是氬氣)下，在移動(dòng)基板上同時(shí)熔化。然后，激光頭上升，重復(fù)這一過(guò)程，直到所有的層都建成。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，各種L-DED技術(shù)被提出和發(fā)展，如表1所示。在這些技術(shù)中，由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新的LENS是目前實(shí)現(xiàn)粉狀L-DED最常見(jiàn)的系統(tǒng)之一，用于研究和工業(yè)生產(chǎn)。L-DED技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括相對(duì)較高的沉積速率(對(duì)于鋼，沉積速率可達(dá)5kg h-1)，以及能夠生產(chǎn)具有梯度成分的零件。

與采用預(yù)撒粉的L-PBF系統(tǒng)的特點(diǎn)不同，L-DED工藝的原料(粉末或線材)從噴嘴送出后立即由激光熔化，使沉積速率和工藝效率更高�；�于這些特點(diǎn)，L-DED技術(shù)更適合于制造大型零件、零件修理或表面涂層。此外，通過(guò)多個(gè)粉末輸送系統(tǒng)，可以同時(shí)沉積不同進(jìn)給速度的各種金屬粉末。因此，復(fù)合材料或功能梯度材料可以很容易地用L-DED技術(shù)生產(chǎn)。然而，大多數(shù)L-DED機(jī)床的能量輸入大于L-PBF，導(dǎo)致熔體池較大(見(jiàn)圖3(b,c))，因此尺寸精度較低，表面光潔度較差，顯微組織較粗糙。此外，對(duì)于L-DED系統(tǒng)，懸架部分只能在多軸運(yùn)動(dòng)(如五軸運(yùn)動(dòng))的系統(tǒng)中打印，這需要更大的費(fèi)用。

圖3(d-f)顯示了不同工藝參數(shù)激光焊接316不銹鋼的熔體熔池形貌。對(duì)比圖3(a - c)和(d-f)可知，激光焊接鋼的熔池形貌與L-PBF相似，但由于L-PBF的激光功率更低，激光光斑尺寸更小，熔池尺寸更小。此外，兩種方法熔體池形態(tài)的變化相似，表明兩種方法熔體池的物理行為相似。隨著激光能量輸入的增加(增加激光功率和/或減小光斑尺寸)，熔池從“半月板”形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦�深的“杯狀”形態(tài)。這是由于在高激光能量輸入下，熔化模式由傳導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾】啄Ｊ�，這在金屬激光焊接中已經(jīng)得到了很好的證明。在傳導(dǎo)熔融模式下，熱傳遞主要通過(guò)熔池內(nèi)的傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行，沒(méi)有明顯的蒸發(fā)，導(dǎo)致熔池穩(wěn)定。而在小孔模式下，由于強(qiáng)激光能量的輸入，金屬大量蒸發(fā)，對(duì)熔池底部產(chǎn)生反沖壓力，形成深熔池，形成杯狀形貌。由于產(chǎn)生深窄焊縫，激光焊接通常優(yōu)先采用小孔模式，但在激光焊接加工中，由于產(chǎn)生高孔隙率，通常避免采用小孔模式。

采用300 W的激光功率和15 mm/s的掃描速度在in718基板上沉積(a) 1層和(b) 10層in718粉末時(shí)的溫度分布。激光束掃描方向?yàn)檠卣齲軸(c)第10層熔池的形狀和大小[141](d)表面張力梯度驅(qū)動(dòng)熔池內(nèi)金屬液的循環(huán)。

上圖(a)和(b)分別為in718粉末10層高發(fā)射l過(guò)程中第1層和第10層的計(jì)算溫度分布。這些圖中不同的顏色表示不同的溫度帶。在AM中，襯底充當(dāng)散熱器。因此，通過(guò)基底的導(dǎo)熱熱損失隨著層的沉積而逐漸減小。因此，上層的峰值溫度增加。由于激光束的快速掃描，溫度輪廓在熱源后面被拉長(zhǎng)，并在光束前面被壓縮。圖(c)顯示了第10層沉積過(guò)程中熔池中部的形狀和大小。只給出了熔池的一半在縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的表面和內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。在熔池內(nèi)部，靠近熱源軸處溫度最高，靠近熔池邊界處溫度最低。這種不均勻的溫度導(dǎo)致熔池內(nèi)部的表面張力梯度。從圖(d)可以看出，熔池內(nèi)部金屬液的流動(dòng)是由表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的。

到目前為止，通過(guò)考慮焊接參數(shù)、不同材料性能、傳熱和流體流動(dòng)等因素，已經(jīng)進(jìn)行了許多解析、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究來(lái)研究和預(yù)測(cè)熔體池的幾何形狀。這些模型一般適用于金屬LAM加工，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨频囊苯鹦袨椤＿@將是了解LAM過(guò)程中熔體池中的動(dòng)態(tài)行為的有力工具，從而為獲得致密、高質(zhì)量零件的工藝參數(shù)優(yōu)化提供基本指導(dǎo)。在下面的章節(jié)中，綜合總結(jié)了LAM工藝參數(shù)/變量對(duì)熔池幾何形狀、鋼的致密化和形態(tài)的影響，并進(jìn)行了批判性評(píng)價(jià)。

LAM處理變量的影響
與傳統(tǒng)的制造工藝相比，LAM涉及的工藝變量/參數(shù)更多，影響了產(chǎn)品的組織和性能。最常見(jiàn)的變量如圖4所示。由于LAM組件的質(zhì)量在很大程度上依賴(lài)于工藝設(shè)置，因此優(yōu)化每種合金的參數(shù)對(duì)于當(dāng)前的LAM技術(shù)至關(guān)重要，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)商業(yè)上可用的LAM系統(tǒng)中都缺乏閉環(huán)質(zhì)量控制系統(tǒng)。因此，了解這些工藝參數(shù)如何影響LAM零件的性能是很重要的。到目前為止，人們對(duì)激光功率、掃描速度和進(jìn)粉速度這三個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了大量的研究。這三個(gè)變量對(duì)性能的綜合影響也在之前得到了很好的回顧和討論。

然而，幾乎沒(méi)有對(duì)其他LAM加工參數(shù)的影響進(jìn)行全面的綜述，如圖4所示，盡管這些變量在控制LAM生產(chǎn)的鋼件質(zhì)量方面也發(fā)揮著重要作用。本節(jié)回顧了這一研究空白，重點(diǎn)討論了它們對(duì)熔體熔池尺寸、顯微組織和部件性能的影響。此外，還討論了參數(shù)交互作用在LAM處理過(guò)程中的影響。在分析了各種來(lái)源和論文中發(fā)表的數(shù)據(jù)后，圖5-8中總結(jié)了各個(gè)參數(shù)對(duì)熔體池大小、合金孔隙度和單軌形貌的影響，并在接下來(lái)的章節(jié)中深入討論。

圖4 LAM過(guò)程中的主要處理參數(shù)/變量及其常用值/類(lèi)別范圍的摘要。

圖5 加工參數(shù)對(duì)L-DED型鋼單軌尺寸的影響:掃描速度、激光功率和進(jìn)給速度對(duì)420不銹鋼軌道(a)寬度和(b)高度的影響;(c)進(jìn)給速度對(duì)H13工具鋼軌道厚度誤差的影響;(d)掃描速度、(e)進(jìn)給速度和(f)比能對(duì)316不銹鋼軌跡高度的影響。

圖6 工藝參數(shù)對(duì)L-PBF和L-DED制備的鋼試樣氣孔率的影響:(a)激光功率;(b)粉進(jìn)料速度;(c)掃描間距;(d)涂層厚度和激光功率;(e)掃描速度和層厚;(f)掃描速度

圖7 不同工藝參數(shù)下L-PBF型316L不銹鋼的SEM形貌:(a)掃描速度;(b)激光功率;(c-e)氧氣水平;(f-h)層厚度;(i (k)掃描間距

圖8 不同工藝參數(shù)下L-DED型316L不銹鋼單掃描軌跡的SEM顯微圖:(a-d)掃描速度;(e-h)粉進(jìn)料速度;(i-l)激光能量

來(lái)源：Laser additive manufacturing of steels，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351
參考文獻(xiàn)：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.