激光制造鋼的工藝進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)（3）

來源：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)。本文為第三部分。

進(jìn)料速度
粉末進(jìn)給速度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，只有在L-DED系統(tǒng)中可用。進(jìn)給速度對(duì)鋼單軌尺寸的影響不同于激光功率和掃描速度。圖5(a-b,e)顯示了L-DED型不銹鋼單軌的高度和寬度隨粉末進(jìn)給率的變化。Song等人報(bào)道了與熔池高度和寬度相同的軌道高度和寬度，隨進(jìn)粉速度的變化而變化。隨著進(jìn)給速度的增加，寬度減小，高度增加，如圖5(a,b)所示。然而，Lu和同事報(bào)告了一個(gè)不同的結(jié)果，單軌的寬度和高度都隨著進(jìn)給速度的增加而增加，如圖5(e)所示。

這種不一致的實(shí)際原因是未知的，可能需要進(jìn)一步的工作來澄清它。一般來說，與激光功率或掃描速度不同，進(jìn)粉速度越高，捕獲效率越低。盡管增加粉末進(jìn)料速度可以使更多的粉末被困在熔池中，但它也增加了進(jìn)入輻照區(qū)域的粉末總量。這將產(chǎn)生過多的未熔化粉末，這些粉末作為漂浮顆粒，有效地保護(hù)熔體池不接受進(jìn)一步的粉末，從而降低捕獲效率。因此，從這個(gè)角度來看，一個(gè)適當(dāng)?shù)姆勰┻M(jìn)料速度是重要的，以確保一個(gè)具有成本效益的過程。此外,了解粉末流速的影響尺寸精度的H13工具鋼部分,CUI和同事測(cè)量的實(shí)際層厚度一層用一個(gè)L-DED制作的過程,分析了厚度誤差(實(shí)際層厚度的差異設(shè)計(jì)層厚度)。

高的粉末質(zhì)量流率導(dǎo)致了低尺寸精度和高孔隙率(圖6(b))。這是由于高粉流密度引起入射激光束的散射，使激光輸入能量衰減，從而可能導(dǎo)致多孔性。孔隙度主要來源于層間未熔化的粉末，這可以從圖8(d-f)中L-DED不銹鋼單層掃描軌跡的SEM顯微圖中得到證實(shí)�？梢钥闯觯�隨著進(jìn)給速度從6.5 g min-1增加到9.8 g min-1, L-DED沉積的316L鋼的單軌表面出現(xiàn)了更多的未熔化粉末。

更重要的是，對(duì)L-PBF制備的316L不銹鋼的大量研究表明，這些未熔化的粉末顆粒和生成的氣孔可能是變形過程中裂紋的來源或擴(kuò)展區(qū)，從而顯著降低了其力學(xué)性能，特別是韌性和抗疲勞性能。一般來說，LAM加工試樣疲勞失效的原因主要與裂紋的萌生有關(guān)，裂紋的萌生主要來自表面或亞表面的凝固缺陷，包括氣孔和未熔化粉末。Liverani等報(bào)道，在疲勞試驗(yàn)過程中，裂紋形核位點(diǎn)與亞表面(圓柱形試樣)附近未熔化粉末顆粒的存在有關(guān)，如圖14(a)所示。Yadollahi在拉伸試驗(yàn)(圓柱形試樣)中也報(bào)道了類似的結(jié)果。如圖14(b)所示，裂紋擴(kuò)展路徑被觀察到是由于這些未熔化的粉末顆粒的存在而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。雖然裂紋萌生取決于合金的機(jī)制以及應(yīng)用應(yīng)力/應(yīng)變水平(即低和高循環(huán)疲勞),un-melted地區(qū)(即夾層腔、空洞和粉末)接近表面發(fā)現(xiàn)不利于抗疲勞強(qiáng)度由于他們提供高壓力濃度。

此外，這些未熔化區(qū)和粉末對(duì)塑性也有顯著的負(fù)面影響，特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼。如圖14(c,d)所示，在制備17-4析出硬化(PH)不銹鋼的L-PBF拉伸斷口上可以觀察到缺陷(空洞、未熔化區(qū)和粉末)，這是由于制造過程中未熔化造成的。此外，在應(yīng)力過程中，顆粒-基體界面的脫鍵和開裂也會(huì)導(dǎo)致空洞形核。與疲勞斷裂相似，在拉伸載荷作用下，這些未熔化區(qū)域也可作為裂紋的形核點(diǎn)。

圖14 (a)亞表面缺陷內(nèi)未熔化的顆粒，導(dǎo)致裂紋形核;(b)疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)未熔化顆粒引起的二次裂紋和路徑偏差，插圖顯示擴(kuò)大的區(qū)域;(c) 17-4 PH值的L-PBF不銹鋼拉伸斷口的低放大率和(d)高放大率，箭頭表示未熔化的粉末顆粒。

層厚度
設(shè)置正確的層厚對(duì)于保持零件的幾何精度非常重要，由于沉積噴嘴(L-DED)或粉床工作臺(tái)(L-PBF)沿著平行于建筑方向的Z方向移動(dòng)，因此也被稱為Z增量或切片厚度。值得注意的是，預(yù)先設(shè)定的層厚不能視為印刷層厚，印刷層厚取決于熔體池的實(shí)際深度。這通常是由所有參數(shù)的組合控制的。在這篇綜述中，術(shù)語“層厚度”是用來指設(shè)置層厚度。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將層厚設(shè)置為略高于平均粒徑的值。近年來，在L-PBF和L-DED技術(shù)中，研究了層厚對(duì)鋼性能的影響。

Bi等通過監(jiān)測(cè)熔池的紅外(IR)溫度信號(hào)，研究了z增量(設(shè)置層厚度)對(duì)L-DED構(gòu)建的316L樣品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著z增量從0.05增加到0.25 mm，樣品頂面由光滑變?yōu)楦叨炔▌?dòng)/不均勻，說明z增量較大的薄壁樣品尺寸精度較差(圖15(a,b))。這是因?yàn)橛∷�層厚度或熔池深度與高設(shè)定的0.25 mm的z增量值不匹配。因此，在幾層后，熔池轉(zhuǎn)移到粉末噴射的發(fā)散部分，從而少量粉末沉積到熔池中。

圖15 (a、b)用L-DED打印的316L薄壁前視圖，尺寸為0.05和0.25 mm，分別為[56];(c)不同層厚和掃描速度(激光功率= 50 W)的316L鋼激光燒結(jié)軌跡俯視圖。

對(duì)于L-PBF工藝，研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置層厚度越高，孔隙度越高，如圖6(d)和圖7(f-h)所示。圖15(c)綜合了層厚和掃描速度對(duì)L-PBF構(gòu)建的316L不銹鋼單軌行為的影響。在厚度小于50 μm時(shí)，所有316L粉末(-25 μm)與激光光斑(70 μm)內(nèi)的激光輻射相互作用，形成連續(xù)軌跡。在恒定的掃描速度下，在臨界層厚度上，單軌由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)，如圖15(c)中的虛線曲線所示。在建立在臨界層厚度之上的軌道上，可以識(shí)別出嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。臨界層厚度與高孔隙率有關(guān)，因?yàn)閵A層未融合。此外，從圖15(c)中還可以看出，為了保證單軌的連續(xù)，掃描速度越低，臨界層厚度越大。這是因?yàn)檩^低的掃描速度與較高的激光能量輸入相關(guān)聯(lián)，從而能夠熔化較厚的粉末層。

在連續(xù)軌跡的臨界值以下，降低層厚可以細(xì)化L-PBF鋼的組織。如圖16(a-c)所示，L-PBF生產(chǎn)的304鋼的奧氏體晶粒隨著層厚從150 μm減小到60 μm而不斷細(xì)化。此外，這些顆粒中的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)也被相應(yīng)地細(xì)化，如圖16(d-f)所示。這種微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化主要?dú)w因于相對(duì)較高的冷卻速率與較低的層厚有關(guān)。

Mazumder等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了LAM期間的冷卻速率既依賴于層厚又依賴于比能(見圖17)。從圖17(a)可以看出，隨著層厚的減小，冷卻速率顯著增加。因此，在L-PBF制備的鋼中，厚度越薄，冷卻速度越快，組織越細(xì)。

圖16 (a - c)光學(xué)和掃描電鏡(d - f)在激光功率密度為104-105 W mm-2的截面上拍攝的304鋼L-PBF的顯微照片，其層厚度分別為60 μm (a,d)、100 μm (b,e)和150 μm (c,f)。樣品沿著平行于建筑平面的剖面(即XY剖面)進(jìn)行查看。

圖17 層厚(a)和比能(b)對(duì)L-DED型鋼H13模具鋼冷卻速率的影響。

需要指出的是，上述解析模型(即式(3))估算的冷卻速率僅反映了整體的冷卻狀態(tài)，并不能反映熔池的熱歷史演化。熱歷史(如熱梯度和冷卻速率)隨熔池中的位置而顯著變化，這一點(diǎn)在LAM和焊接過程中都得到了證實(shí)。這導(dǎo)致了熔池組織和力學(xué)性能的不均勻性。由于在實(shí)驗(yàn)中很難監(jiān)測(cè)這種小規(guī)模熔體池中凝固過程，這種熔體池在任何給定點(diǎn)只存在幾十微秒，因此通常通過數(shù)值模擬來估計(jì)熔體池內(nèi)的熱歷史，例如Grong等人描述的模型。然而，建模的精度高度依賴于選擇適當(dāng)?shù)妮斎雲(yún)��?shù)和網(wǎng)格。

分層策略
基于零件不同的幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征，分層切片策略也會(huì)發(fā)生變化。如圖18所示，Xu等將已發(fā)表的切片方法分為三大類:L-PBF和L-DED系統(tǒng)中采用的傳統(tǒng)切片方法(即基本和自適應(yīng)切片方法)、L-DED系統(tǒng)中采用的多向切片方法和無分層切片方法。在本文中，術(shù)語“無層明智切片”被替換為“自由方向切片”，以避免爭(zhēng)議，因?yàn)椴考�仍然使用所謂的“無層明智切片”方法逐層打印(參見圖18)。

圖18 基于LAMed樣本幾何特征的切片方法示意圖。

對(duì)于幾何形狀簡單、無懸垂、特征精細(xì)的零件，通常采用基于分層的基本切片方法，將CAD模型沿預(yù)定的方向進(jìn)行平行切片。但是，基本的切片方法會(huì)生成具有階梯狀特征的表面，導(dǎo)致表面光潔度較差，特別是對(duì)于曲面高度彎曲的零件。LAM零件上的階梯狀特征被稱為“階梯效應(yīng)”，該效應(yīng)通過層厚和表面傾角來量化。與基本切片方法中采用的等層厚度方法不同，自適應(yīng)切片方法考慮CAD模型沿建造方向的幾何形狀，隨層厚度變化，以減少樓梯效應(yīng)，提高表面光潔度，減少建造時(shí)間。

通過對(duì)L-PBF系統(tǒng)中粉床厚度和L-DED過程中噴嘴尖端高度等加工變量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)切片策略。這種策略雖然可以降低樓梯效應(yīng)，但無法處理具有懸垂特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)，不可避免地需要支撐結(jié)構(gòu)，這既費(fèi)時(shí)又耗材料。作為一種替代方案，針對(duì)相對(duì)復(fù)雜的形狀，提出了多方向切片，目的是緩解樓梯效應(yīng)，去除支撐結(jié)構(gòu)。多方向方法沒有采用單向并行切片策略，而是相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)分支結(jié)構(gòu)的切片方向(如圖18中的0°和90°)。然而，當(dāng)旋轉(zhuǎn)具有分支結(jié)構(gòu)的樣本的方向時(shí)，可能會(huì)發(fā)生碰撞。此外，多方向切片法仍不能消除階梯效應(yīng)。此外，對(duì)于有內(nèi)腔的復(fù)雜零件，實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜，計(jì)算起來也很昂貴。

為了克服上述問題，Ruan等人和Wang等人提出了L-DED系統(tǒng)的幾種自由方向切片方法。這些方法涉及非平行和可變的分層方向，從而導(dǎo)致分層厚度不均勻。從理論上講，自由方向切片方法可以解決無限方向維度復(fù)雜性問題，并能較好地逼近無支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲面。然而，自由方向切片方法的應(yīng)用提出了更高的要求，包括解析模型、層厚控制系統(tǒng)和多軸機(jī)器人設(shè)備。到目前為止，自由方向切片方法在LAM過程中的應(yīng)用報(bào)道較少，需要做更多的研究。

(a) - (b): XY (build)平面上形狀相似;(c) - (d):對(duì)應(yīng)的XZ(profile)平面圖顯示不同的熔體池深度。

Raghavan等人將實(shí)時(shí)熔池溫度與亞表面溫度、冷卻速度以及通過DLD制備的Ti-6Al-4V零件的后加工機(jī)械性能聯(lián)系起來。采用焊接模型來逼近LENS過程，并建立傳熱和液態(tài)金屬流動(dòng)模型來計(jì)算Ti-6Al-4V合金激光加工過程中的熔體池形狀和熱循環(huán)。結(jié)果表明，對(duì)于LBAM需要一種更全面的控制方法，因?yàn)閮H基于保持目標(biāo)頂面幾何形狀的反饋控制可能會(huì)受到限制。結(jié)果表明，僅監(jiān)測(cè)/控制熔體熔池表面積不足以生產(chǎn)出目標(biāo)零件的質(zhì)量。

這主要是因?yàn)轫斆嫒垠w幾何形狀的監(jiān)測(cè)并不能提供足夠的信息來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體池深度。盡管頂面輪廓相似，但整個(gè)池的幾何形狀可以有很大的變化，如上圖所示。此外，由于峰值溫度與熔體池幾何形狀之間的明顯相關(guān)性并不明顯，僅基于熔體池頂表面溫度廓線的熱成像可能難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)過程控制。Raghavan等人還證明，隨著零件本體溫度的增加，以及通過修改激光功率來控制熔體池形狀，可以觀察到局部凝固的變化——這表明在利用熔體池空中形狀/激光控制顯微組織方面存在缺陷。

由于高幾何復(fù)雜性零件的LAM加工尚未商業(yè)化推廣，與其他參數(shù)(如激光功率和掃描速度)相比，切片策略的研究相對(duì)有限，特別是對(duì)顯微組織和機(jī)械性能的研究。考慮到層厚的變化直接影響整體能量輸入，與切片策略相關(guān)的關(guān)鍵問題是微觀組織的均勻性，從而影響機(jī)械性能。因此，在改變切片策略時(shí)，可能需要相應(yīng)地調(diào)整激光功率、掃描速度等其他加工參數(shù)，以保持能量輸入的一致性，從而保持整個(gè)零件的微觀結(jié)構(gòu)均勻性。從這方面來看，要想在工業(yè)上吸納高鐵，就必須在這方面進(jìn)行更全面的調(diào)查。

樣本幾何
LAM生產(chǎn)的鋼件質(zhì)量與工藝參數(shù)密切相關(guān)。因此，可以認(rèn)為，如果使用相同的加工參數(shù)和相同的LAM機(jī)器，可以生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定一致的零件。然而，一些復(fù)雜幾何形狀的零件在不同的截面內(nèi)會(huì)經(jīng)歷不同的熱演化過程，導(dǎo)致零件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能不均勻(如晶粒形態(tài)、織構(gòu)、相組成、孔隙率、殘余應(yīng)力等)。因此，建筑幾何形狀(如不同形狀、大小和位置)對(duì)LAM生產(chǎn)的鋼構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)的影響是另一個(gè)需要解決的問題。

為了研究和理解幾何形狀對(duì)LAM零件的影響，使用L-PBF制作了不同厚度和傾角的316L薄壁結(jié)構(gòu)(圖19)。Leicht等人和Alsalla等人報(bào)道稱，薄壁厚度或構(gòu)建取向與孔隙/缺陷的發(fā)生似乎沒有相關(guān)性。雖然沒有文獻(xiàn)報(bào)道薄壁厚度和建筑朝向?qū)θ垠w池幾何形狀的影響，但考慮到熔體池的形狀主要由系統(tǒng)中輸入的能量控制，可以忽略這種影響。從微觀結(jié)構(gòu)上看，如圖19(a)所示，較薄的試樣(<0.4 mm)晶粒較小，織構(gòu)幾乎是隨機(jī)的，而較厚的試樣(>0.6 mm)晶粒較大，且<101> 朝向與建筑方向平行。此外，較厚(>0.6 mm)樣品的EBSD取向圖也顯示，在不同的局部位置，晶粒尺寸和紋理也有不同的變化。從圖19(a)中還可以觀察到，靠近零件表面形成了較細(xì)的、紋理隨機(jī)的顆粒，它們分布在最上層表面~ 150 μm范圍內(nèi)。而所有的大的細(xì)長的顆粒形成在中心。在L-PBF 316 l SS、谷物往往成核與前面形成的邊界層由于高冷卻速率和增長向中心沿著最高溫度梯度的樣品,和晶粒尺寸的薄壁結(jié)構(gòu)主要是冷卻速率。冷卻速率和溫度梯度的變化導(dǎo)致了晶粒尺寸的不同和擇優(yōu)取向的不同。Leicht認(rèn)為，表面的冷卻速度快于核心，抑制了晶粒的生長。因此，更厚的壁與更細(xì)長的紋理更明顯的顆粒有關(guān)。

圖19 EBSD方位圖在L-PBF搭建的316L薄壁樣品的搭建方向上，不同厚度(a)和傾角(b)。

試樣幾何形狀引起的非均勻性也反映在機(jī)械性能上，尤其是疲勞抗力方面。Shrestha等人研究了L-PBF制備的17-4 PH鋼在不同幾何形狀下的抗疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，與大塊試樣相比，dog-bone幾何形狀的試樣具有更高的孔隙率，因此疲勞強(qiáng)度較低。作者將此歸因于dog-bone標(biāo)本的較高冷卻速率，這使得氣泡逸出的時(shí)間更短。但這需要通過實(shí)驗(yàn)或模擬來驗(yàn)證。

雖然在LAM中，樣品幾何形狀的影響很少被報(bào)道，但由于它們?cè)诩庸�條件上的相似性，可以從焊接過程中借鑒相關(guān)知識(shí)。之前的大量研究表明，半徑較小的尖焊縫趾在凝固時(shí)具有較高的冷卻速率。這可能導(dǎo)致不期望的相變(如鋼焊接中的馬氏體相變)和局部殘余應(yīng)力，使焊縫脆性。此外，與光滑斷面相比，銳斷面在加載、開裂和降低焊縫疲勞抗力時(shí)存在較大的局部應(yīng)力集中。因此，在激光焊接中，通常可以避免尖銳的過渡，如尖銳的焊接趾、切邊和重入角。這些幾何特征也應(yīng)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或建筑物朝向，在LAM過程中加以控制。

建筑方向
之前的研究表明，即使對(duì)于尺寸和形狀相同的零件，LAM加工鋼的性能也會(huì)隨著不同方向而變化。如圖19所示，與圖19（b）所示的垂直L-PBF構(gòu)建316L樣品中<101>的優(yōu)先晶粒取向相比，當(dāng)相同厚度的薄壁樣品為1 mm以30°和45°的角度建造，更多隨機(jī)方向如圖19（b）所示。這意味著建筑方向?qū)︿摿慵�的晶粒結(jié)構(gòu)和織構(gòu)變化的影響。不同建筑方向?qū)е碌奈⒂^結(jié)構(gòu)變化不可避免地會(huì)影響其機(jī)械性能，包括拉伸性能和抗疲勞性能。

Yadollahi及其同事研究了建筑方向（垂直和水平方向）對(duì)L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼拉伸和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)垂直構(gòu)建的樣品的伸長率明顯低于水平構(gòu)建的樣品（見圖20（c））。認(rèn)為垂直于建筑方向（見圖14（d））的平面上形成的層間空洞/孔洞是低延展性的原因，因?yàn)榇祟惾毕菔抢�伸載荷下孔洞生長和合并的快速路徑。此外，建筑方向也導(dǎo)致相位成分的差異，如圖20（a，b）中的EBSD方向圖所示。盡管兩個(gè)樣品的晶粒尺寸似乎相似，但水平構(gòu)建的樣品具有較高的殘余奧氏體含量(～7%）高于垂直樣本(～3%) 。殘余奧氏體分?jǐn)?shù)的這種差異可被認(rèn)為是兩個(gè)樣品制造過程中可區(qū)分的熱歷史的結(jié)果，尤其是冷卻速度。垂直建造的樣品比水平建造的樣品具有更高的冷卻速率。此外，建筑朝向?qū)ζ�勞性能也起著重要作用。如圖20（d）所示，由于垂直建造的樣品中存在更多的層間空洞，水平建造的樣品顯示出比垂直建造的樣品更高的疲勞強(qiáng)度。

圖20 （a）垂直和（b）水平-L- PBF構(gòu)建17-4PH不銹鋼樣品中間區(qū)域中選定區(qū)域的EBSD和相位圖；（c） L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼在不同條件下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d） L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼在不同條件下的S-N曲線。

有趣的是，建筑朝向的效果因材料而異。與17-4 PH不銹鋼不同，垂直構(gòu)建的L-DED預(yù)制304L和316L不銹鋼的強(qiáng)度較低，但延伸率遠(yuǎn)高于水平構(gòu)建的樣品。Griffith及其同事認(rèn)為，這與可能引發(fā)斷裂的缺陷有關(guān)。然而，根據(jù)斷口分析，未在層界面處觀察到斷裂萌生。據(jù)作者所知，各向異性拉伸行為很可能與通過外延生長沿建筑方向形成的細(xì)長柱狀晶粒有關(guān)，從而最小化了層間邊界。當(dāng)加載方向與建筑方向垂直時(shí)，位錯(cuò)滑移沿橫向拉伸方向發(fā)生，并在晶界附近堆積。由于沿構(gòu)建方向的晶粒拉長，沿橫向的晶界密度遠(yuǎn)高于沿構(gòu)建方向的晶界密度，從而導(dǎo)致更高的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，從而在水平構(gòu)建的樣品中獲得更高的強(qiáng)度和更低的延展性。

保護(hù)氣體
以往激光切割和激光焊接的研究表明，加工氣氛對(duì)樣品質(zhì)量具有重要作用。Song等人最近的一項(xiàng)研究研究了保護(hù)氣體(空氣、Ar和N2)對(duì)用L-DED制作的420不銹鋼熔體熔池幾何形狀的影響。如圖5(a,b)所示，保護(hù)氣體對(duì)熔池幾何形狀有顯著影響，但這種影響對(duì)工藝參數(shù)不敏感。在氬氣和氮?dú)鈿夥障轮苽涞臉悠肪哂邢嗨频娜垠w池幾何形狀，而在空氣中制備的樣品顯著增加了熔體池的寬度和高度。這是由于L-DED在空氣中的劇烈放熱氧化，增加了粉末吸收的有效能量。這種氧化過程也消耗了鋼內(nèi)的溶質(zhì)元素(如C和Cr)，降低了幾何精度。

此外，控制保護(hù)氣體成分似乎是另一種有效的方法來調(diào)整LAM加工鋼形成的組織。如Rafi等報(bào)道，保護(hù)氣體對(duì)17-4PH鋼組織的影響與粉末原料的使用密切相關(guān)。對(duì)于氬氣霧化法制備的粉末，無論保護(hù)氣體(Ar或N2)是氬氣還是氬氣，均可在試樣中獲得馬氏體組織。而對(duì)于17-4PH鋼，N2氣氛比Ar氣氛顯著提高了奧氏體的含量。此外，納米顆粒在18Ni-300鋼基體中隨機(jī)分布，形成core–shell結(jié)構(gòu)，core中為氧化鋁，shell中為氮化鈦(TiN)。Shamsdini和同事認(rèn)為，通過Marangoni效應(yīng)，被捕獲的氮形成了被Al2O3殼包圍的球形TiN。這說明LAM過程中的氣(如氬氣或氮?dú)?對(duì)馬氏體時(shí)效鋼的二次相和性能有顯著的影響，特別是那些含有化學(xué)活性Ti的馬氏體時(shí)效鋼。

加工參數(shù)的交互作用
流程映射
本文綜述了各工藝參數(shù)對(duì)激光焊接鋼幾何精度、顯微組織和機(jī)械性能的影響。然而，在大多數(shù)情況下，它們的影響是相互影響的。因此，開發(fā)了各種工藝圖來詳細(xì)說明和理解不同參數(shù)的綜合影響，特別是激光功率和掃描速度。根據(jù)輸出變量，當(dāng)前可用的LAM流程圖可以分為三組。它們是熱圖(如冷卻速率和熱梯度)、缺陷圖(如孔隙度)和幾何圖(如熔池大小和單軌形態(tài))。在這三組中，熱和熔體池大小過程圖通常是基于解析和數(shù)值結(jié)果創(chuàng)建的，這已經(jīng)由Shamsaei等人審查和評(píng)估。一個(gè)典型的熔體池尺寸過程圖可以展示熔體池長度如何受基板歸一化高度和熔體溫度的影響;而熱過程圖顯示了歸一化熔體溫度和熔體池內(nèi)相對(duì)深度對(duì)冷卻速率/熱梯度的影響。根據(jù)Shamsaei等人的研究，雖然從地圖上的預(yù)測(cè)提供了大規(guī)模L-DED過程中最優(yōu)工藝參數(shù)的可能范圍，但由于模型外推的誤差，仍然存在不準(zhǔn)確性。此外，大多數(shù)基于模擬的熱或熔體池尺寸過程圖尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)樵贚AM過程中難以測(cè)量熔體池的冷卻速率和熱梯度。因此，在本節(jié)中，重點(diǎn)是直接從實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的過程圖，其中加工參數(shù)被用作輸入變量。

圖21(a - d)為L-DED和L-PBF過程圖，顯示了激光功率和掃描速度對(duì)粉末熔化效率和熔池缺陷或316L不銹鋼單軌缺陷的綜合影響。在圖21(a)中，四個(gè)區(qū)域代表了使用L-DED搭建316L單軌時(shí)不同的粉末熔化行為。在區(qū)域I內(nèi)，激光由于能量輸入過多而導(dǎo)致等離子體的形成，從而不會(huì)發(fā)生熔化。在第二區(qū)域，由于能量輸入不足，金屬粉末只有部分熔化。區(qū)域III對(duì)應(yīng)于不完全熔化和球化。區(qū)域IV表示激光功率和掃描速度的適當(dāng)組合，導(dǎo)致粉末完全熔化。此工藝圖是316L不銹鋼最早的工藝圖之一。因此，需要驗(yàn)證其重現(xiàn)性。值得注意的是，與L-PBF相比，L-DED預(yù)制鋼的加工圖有限。然而，考慮到L-DED和L-PBF在熔體熔池中形成的緊密的物理冶金，這兩種方法的缺陷隨工藝參數(shù)的演變趨勢(shì)相似。

圖21 (a) L-DED 316L鋼，(b) L-PBF建造316L鋼，(c) L-PBF建造314L鋼，(d) L-PBF建造316L鋼，(f) L-PBF建造超高強(qiáng)度鋼;(e)不同激光功率和掃描速度下L-PBF制備的17-4 PH鋼的孔隙度過程擬合圖。

使用L-PBF制造不銹鋼單軌的工藝圖如圖21(b-d)所示。這些地圖取自不同的參考文獻(xiàn)。從圖21(b,c)可以看出，較高的激光功率和較慢的掃描速度更容易產(chǎn)生連續(xù)的全密度跡線，如圖21(b)中的區(qū)域IV和圖21(c)中的區(qū)域b所示。低激光功率與高掃描速度相結(jié)合，可以導(dǎo)致無熔體或高孔隙率的部分熔體。在高功率和高速條件下，單齒或離散或成球。低功率和低速度相結(jié)合，意味著沒有熔化或部分熔化。然而，Yadroitsev和同事的結(jié)果]如圖21(d)所示，表明即使在低得多的激光功率下，在特定的掃描速度范圍內(nèi)也可以形成連續(xù)而密集的軌跡。這種不一致可能歸因于所使用的機(jī)器的不同，這與處理參數(shù)的不同設(shè)置有關(guān)。此外，工藝圖也因材料而異。從圖21(b,c)所示的L-PBF工藝圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率超過175W左右時(shí)，產(chǎn)生了全密316L的軌跡，而生產(chǎn)314L鋼單軌所需的最小值為40 W左右。這一結(jié)果意味著需要為單個(gè)合金建立工藝圖。

為了研究激光功率(P)和掃描速度(V)在LAM過程中對(duì)孔隙度鋼的聯(lián)合影響，Tapia和同事開發(fā)了一個(gè)基于空間統(tǒng)計(jì)的框架來預(yù)測(cè)L-PBF制備的17-4PH鋼的孔隙度，以盡量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。如圖21(e)所示，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用基于高斯過程的預(yù)測(cè)模型擬合出不同功率-速度組合下的孔隙度過程圖。從圖21(e)中可以識(shí)別出導(dǎo)致低孔隙度為0.325%的最佳加工參數(shù)。P = 50 W, V = 275 mm s-1。不幸的是，這種最優(yōu)功率-轉(zhuǎn)速組合可能不適用于316L不銹鋼和超高強(qiáng)度鋼(AF9628)，因?yàn)楦鶕?jù)圖21(d,f)所示的工藝圖，如果使用這些參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)單軌不連續(xù)和熔合不足的情況。

此外，如前文所述，改變工藝參數(shù)不僅控制了缺陷類型和分?jǐn)?shù)，還影響了形成的顯微組織和相組成，協(xié)同影響了LAM加工鋼的機(jī)械性能。因此，在過程圖中包含這些特征將是卓有成效的，它可以提供更全面的指導(dǎo)，以最大限度地提高樣品質(zhì)量。這可以參考Dye等人之前的工作，在該工作中，IN718合金的可焊性圖是通過考慮缺陷形成和顯微組織特征的精確數(shù)值模擬來開發(fā)的。


來源：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.