頂刊《Acta Materialia》：揭示粉末擴散對激光粉末增材制造金屬產(chǎn)品質(zhì)量的影響機理

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文進行了一系列粉末擴散和熔化實驗，以研究擴散速度在激光粉末增材制造中的作用。在單層實驗中，高速粉末擴散確實降低了粉末層的包裝密度。然而，具有各種高粉末傳播速度的立方樣品的多層LPBF工藝是成功的，樣品的缺陷更少，因此機械性能更好，特別是疲勞壽命，這違反直覺，以前從未報告過。研究發(fā)現(xiàn)，無論粉末擴散速度如何，實際粉末層厚度都會因粉末熔化過程中的收縮而逐漸增加，但總是在10層中達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中沉積的致密層厚度等于名義粉末層厚度，從而達到相似的熔化條件和質(zhì)量。這項研究對粉末傳播速度在LPBF中的作用提供了前所未有的見解，并糾正了高速粉末傳播總是不利的不準確直覺，這為提高LPBF的生產(chǎn)力和部分質(zhì)量提供了更潛在的解決方案。

激光粉末床融合（LPBF），也稱為選擇性激光熔化或直接金屬激光熔化，是目前主要的金屬增材制造技術(shù)之一，能夠準確靈活地制造復(fù)雜的近網(wǎng)形金屬零件。LPBF包括兩個基本程序：粉末擴散和粉末熔化。在粉末擴散過程中，建筑平臺降低一定距離（即標稱粉末層厚度），金屬粉末顆粒由刮板/滾筒鋪在基板上。在粉末熔化過程中，根據(jù)CAD輪廓數(shù)據(jù)，使用高功率密度激光束選擇性地熔化粉末床。重復(fù)這兩個基本程序，直到零件完全制造出來。

除了實現(xiàn)良好的機械性能外，高生產(chǎn)率是LPBF技術(shù)遇到的另一個突出挑戰(zhàn)。由于加工效率相對較低，LPBF主要限于制造高端組件，最常見的是在航空航天和醫(yī)療行業(yè)。粉末熔化過程進行了大量研究，通過調(diào)整加工參數(shù)來提高制造零件的質(zhì)量。在這些處理參數(shù)中，可以通過提高激光掃描速度、艙口間距和層厚度來縮短構(gòu)建時間。然而，不良反應(yīng)通常使零件質(zhì)量下降。例如，隨著線性激光能量強度的降低，激光掃描速度和艙口間距的增加可能會過度增加聚變?nèi)毕莸臄?shù)量，如孔隙、裂紋和球狀。使用更大層厚度的缺點是體積激光能量強度降低，這將導(dǎo)致缺乏融合和尺寸精度降低等不良特征。雖然可以通過增加激光功率來保持激光能量強度，以實現(xiàn)完整的粉末聚變，但在高激光功率下，金屬蒸汽射流和鑰匙孔的融合缺陷將是另一個問題。據(jù)我們所知，到目前為止，這種關(guān)于粉床質(zhì)量與制造零件質(zhì)量之間相關(guān)性很少被調(diào)查和驗證。

新加坡國立大學(xué)聯(lián)合華中科技大學(xué)進行了各種粉末傳播速度的LPBF實驗，以制造單層和立方樣品。研究了已構(gòu)建樣品的孔隙度、力學(xué)強度和幾何精度等性能。為了解釋單層和立方樣品制造質(zhì)量之間的逆直覺差異，進一步制作了樓梯樣品，以揭示逐層LPBF工藝背后的收縮和補償效應(yīng)。為了評估粉末傳播速度變化的熱條件的影響，我們設(shè)計并進行了粉末傳播后操作延遲的LPBF實驗，以確保不同粉末傳播速度的冷卻時間相同。這項工作旨在為“高速粉末擴散真的不利于LPBF的零件質(zhì)量提高嗎？”的問題提供全面的答案。相關(guān)研究成果以題“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 422002865#fig0008Is

1）對于給定的粉末層厚度，較高的粉末擴散速度會導(dǎo)致較低的填料密度和聚變比，對于前幾層的制造來說，高擴散速度似乎是不可取的。然而，由于粉末床融合過程中的收縮，實際粉末層厚度逐層增加。實際粉末層厚度的這種增加逐漸提高了包裝密度，從而提高了該層的融合比，這被稱為補償效應(yīng)。在收縮和補償?shù)木C合作用下，沉積致密層能夠在大約10層內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)，其厚度等于襯底的降低高度（即名義層厚度），即使采用更高的擴散速度。因此，樣品可以以高粉末傳播速度成功制造，機械性能可以稍微好一點。

2）通過提高擴散速度減少孔隙和裂縫等聚變?nèi)毕荩�主要歸因于層間冷卻時間縮短。然而，熱條件的具體影響因擴散速度而異，對顯微結(jié)構(gòu)（如相含量）取決于材料特性。

3）高速粉末擴散的一個主要缺點是降低了建筑方向的尺寸精度。在本研究中使用的粉末傳播速度和激光能量密度中，激光掃描速度較大，恒定的激光能量密度可以增加粉末層的聚變比，從而減少高度偏差。

圖1 實驗：（a）LPBF設(shè)備；（b1）粉末擴散原理圖和（b2）在基材上鋪設(shè)的粉末床；（c）單層和立方試樣的制造參數(shù)；以及（d1）樓梯試樣的草圖和（d2）一個制造的樓梯標本。

圖2 Hastelloy-X合金粉末的單層實驗。粉末傳播測試的傳播速度為20-240毫米/秒，標稱層厚度為30微米：（a）相對填料密度ρP和（b）鋪面粉末床的CLSM高度圖。激光功率P為400瓦，掃描速度u為0.8米/秒的粉末熔化測試：（c）單軌和（d）單層橫截面的光學(xué)顯微照片。

圖3 用Hastellaoy-X合金粉末制成的立方試樣，傳播速度V從20到240毫米/秒不等，標稱層厚度HN為30微米，艙口間距為100微米：（a）用激光功率P為100～400 W，掃描速度u為0.1 ～1.1 m/s的立方試樣；通過阿基米德方法測量（b1）所有立方體和激光功率為（b2）100 W、（b3）200 W、（b4）300 W和（b5）400 W的立方體的相對密度ρC。在（b1）-（b5）中，線性激光能量密度定義為λ = P / u，并以對數(shù)形式繪制。

圖4 光學(xué)顯微鏡圖像，由Hastelloy-X合金粉末制成的立方試樣的橫截面，傳播速度為V為20、120和240 mm/s，線性能量密度分別為250、500和3000焦耳/m。S136模具鋼粉和K21鎳基高合金粉末的類似結(jié)果包含在圖中。補充材料的S1。

圖5 用不同傳播速度的Hastelloy-X合金粉末制成的拉伸樣品的典型微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，其中激光能量密度為500 J/m（P = 400 W，u = 0.8 m/s）：（a1）顆粒形態(tài)，（a2）顆粒尺寸分布，以及（a3）EBSD測試樣品的相位含量；（b）拉伸測試結(jié)果；以及（c）疲勞測試結(jié)果。相位含量和AVG粒大小從每個樣本部分隨機采摘的五個區(qū)域中平均。高循環(huán)疲勞測試的測試頻率為20赫茲，應(yīng)力比為σmin/σmax= 0.1，其中最大應(yīng)力σmax = 480 MPa根據(jù)屈服強度確定。S136模具鋼樣品的類似測試結(jié)果包含在圖中。補充材料的S2。

圖6 顯示實際粉末層厚度hA和沉積稠密層厚度hM的演變的示意圖，這些變化是由逐層收縮引起的，其中HN是標稱層厚度。

圖7 根據(jù)等式，顯示（a）實際粉末層厚度hA和（b）沉積稠密層厚度hM的演變，根據(jù)等量。（4）。標稱層厚度HN為30微米，融合比ρF從5%到50%不等。

圖8 顯示LPBF過程中相對填料密度ρP和聚變比ρF之間相關(guān)性的示意圖。

圖9 Hastelloy-X合金粉末具有不同傳播速度V和實際層厚度hA的單層粉末擴散試驗：（a）CLSM對粉末層的形態(tài)；以及（b）粉末層的相對包裝密度。

圖10 由Hastelloy-X合金粉末制成的樓梯標本，傳播速度不同，其中標稱層厚度為30微米，激光功率P為400 W，激光掃描速度為0.8 m/s：（a）樓梯樣本的照片；（b）樓梯樣品的CLSM高度圖示例（V = 20 mm/s）；以及（c1）樓梯設(shè)計的總高度T設(shè)計和樓梯實際總高度Tmelt的演變，以及（c2）實際層厚度hA，（c3）從CLSM高度圖計算的每層沉積稠密層厚度hM和（c4）聚比ρF的演變。

圖11 樓梯標本的高度偏差D

圖12 用Hastelloy-X合金粉末制成的樓梯的（a）穩(wěn)態(tài)融合比ρF、S和（b）穩(wěn)態(tài)高度偏差DS的變化。標稱層厚度HN為30μm。采用20、120和240毫米/秒的傳播速度。激光掃描速度u為0.2、0.4、0.6和0.8 m/s，激光能量密度λ為500 J/m，相應(yīng)的激光功率P分別為100、200、300和400 W。

圖13 分別由V = 20 mm/s、V = 240 mm/s和V = 240 mm/s制成的Hastelloy-X合金立方試樣，并具有操作延遲：（a）顯微鏡圖像；以及（b）用X射線衍射法評估的殘余應(yīng)力。在V = 240 mm/s并延遲的情況下，每層粉末擴散延遲18.33秒，使熔融層的冷卻時間與V = 20 mm/s時相同。S136模具鋼粉和K21鎳基高合金粉末的類似實驗包含在圖中。補充材料的S1和S2。

由于這項研究表明，高速粉末傳播對零件質(zhì)量并不不利，甚至有益，因此提高粉末傳播速度應(yīng)被視為提高LPBF生產(chǎn)力甚至零件質(zhì)量的有效可行方法。這使LPBF能夠獲得更多自由和更大的處理參數(shù)空間，以定制微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。應(yīng)該指出，傳播速度對制成零件的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的具體影響也取決于材料特性，這需要在未來的工作中進一步研究。