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

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文進(jìn)行了一系列粉末擴(kuò)散和熔化實(shí)驗(yàn)，以研究擴(kuò)散速度在激光粉末增材制造中的作用。在單層實(shí)驗(yàn)中，高速粉末擴(kuò)散確實(shí)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(jī)械性能更好，特別是疲勞壽命，這違反直覺(jué)，以前從未報(bào)告過(guò)。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論粉末擴(kuò)散速度如何，實(shí)際粉末層厚度都會(huì)因粉末熔化過(guò)程中的收縮而逐漸增加，但總是在10層中達(dá)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(dá)到相似的熔化條件和質(zhì)量。這項(xiàng)研究對(duì)粉末傳播速度在LPBF中的作用提供了前所未有的見(jiàn)解，并糾正了高速粉末傳播總是不利的不準(zhǔn)確直覺(jué)，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(zhǔn)確靈活地制造復(fù)雜的近網(wǎng)形金屬零件。LPBF包括兩個(gè)基本程序：粉末擴(kuò)散和粉末熔化。在粉末擴(kuò)散過(guò)程中，建筑平臺(tái)降低一定距離（即標(biāo)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(guò)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(gè)基本程序，直到零件完全制造出來(lái)。

除了實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械性能外，高生產(chǎn)率是LPBF技術(shù)遇到的另一個(gè)突出挑戰(zhàn)。由于加工效率相對(duì)較低，LPBF主要限于制造高端組件，最常見(jiàn)的是在航空航天和醫(yī)療行業(yè)。粉末熔化過(guò)程進(jìn)行了大量研究，通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)來(lái)提高制造零件的質(zhì)量。在這些處理參數(shù)中，可以通過(guò)提高激光掃描速度、艙口間距和層厚度來(lái)縮短構(gòu)建時(shí)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(qiáng)度的降低，激光掃描速度和艙口間距的增加可能會(huì)過(guò)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(diǎn)是體積激光能量強(qiáng)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(guò)增加激光功率來(lái)保持激光能量強(qiáng)度，以實(shí)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(gè)問(wèn)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(yàn)證。

新加坡國(guó)立大學(xué)聯(lián)合華中科技大學(xué)進(jìn)行了各種粉末傳播速度的LPBF實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)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(jué)差異，進(jìn)一步制作了樓梯樣品，以揭示逐層LPBF工藝背后的收縮和補(bǔ)償效應(yīng)。為了評(píng)估粉末傳播速度變化的熱條件的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)并進(jìn)行了粉末傳播后操作延遲的LPBF實(shí)驗(yàn)，以確保不同粉末傳播速度的冷卻時(shí)間相同。這項(xiàng)工作旨在為“高速粉末擴(kuò)散真的不利于LPBF的零件質(zhì)量提高嗎？”的問(wèn)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(duì)于給定的粉末層厚度，較高的粉末擴(kuò)散速度會(huì)導(dǎo)致較低的填料密度和聚變比，對(duì)于前幾層的制造來(lái)說(shuō)，高擴(kuò)散速度似乎是不可取的。然而，由于粉末床融合過(guò)程中的收縮，實(shí)際粉末層厚度逐層增加。實(shí)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(bǔ)償效應(yīng)。在收縮和補(bǔ)償?shù)木C合作用下，沉積致密層能夠在大約10層內(nèi)達(dá)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(kuò)散速度。因此，樣品可以以高粉末傳播速度成功制造，機(jī)械性能可以稍微好一點(diǎn)。

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

3）高速粉末擴(kuò)散的一個(gè)主要缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)：（a）LPBF設(shè)備；（b1）粉末擴(kuò)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(gè)制造的樓梯標(biāo)本。

圖2 Hastelloy-X合金粉末的單層實(shí)驗(yàn)。粉末傳播測(cè)試的傳播速度為20-240毫米/秒，標(biāo)稱層厚度為30微米：（a）相對(duì)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(cè)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(biāo)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(guò)阿基米德方法測(cè)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(duì)密度ρC。在（b1）-（b5）中，線性激光能量密度定義為λ = P / u，并以對(duì)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(bǔ)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(cè)試樣品的相位含量；（b）拉伸測(cè)試結(jié)果；以及（c）疲勞測(cè)試結(jié)果。相位含量和AVG粒大小從每個(gè)樣本部分隨機(jī)采摘的五個(gè)區(qū)域中平均。高循環(huán)疲勞測(cè)試的測(cè)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(qiáng)度確定。S136模具鋼樣品的類似測(cè)試結(jié)果包含在圖中。補(bǔ)充材料的S2。

圖6 顯示實(shí)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(biāo)稱層厚度。

圖7 根據(jù)等式，顯示（a）實(shí)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(biāo)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(guò)程中相對(duì)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(shí)際層厚度hA的單層粉末擴(kuò)散試驗(yàn)：（a）CLSM對(duì)粉末層的形態(tài)；以及（b）粉末層的相對(duì)包裝密度。

圖10 由Hastelloy-X合金粉末制成的樓梯標(biāo)本，傳播速度不同，其中標(biāo)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(jì)的總高度T設(shè)計(jì)和樓梯實(shí)際總高度Tmelt的演變，以及（c2）實(shí)際層厚度hA，（c3）從CLSM高度圖計(jì)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(biāo)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(biāo)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(píng)估的殘余應(yīng)力。在V = 240 mm/s并延遲的情況下，每層粉末擴(kuò)散延遲18.33秒，使熔融層的冷卻時(shí)間與V = 20 mm/s時(shí)相同。S136模具鋼粉和K21鎳基高合金粉末的類似實(shí)驗(yàn)包含在圖中。補(bǔ)充材料的S1和S2。

由于這項(xiàng)研究表明，高速粉末傳播對(duì)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(jī)械性能。應(yīng)該指出，傳播速度對(duì)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(lái)的工作中進(jìn)一步研究。