綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進(jìn)展（3）

導(dǎo)讀：本文旨在回顧兩種主要粉末床熔融（PBF）技術(shù)——激光粉末床熔合(LPBF)和電子束熔合(EBM)，在制備鎳基高溫合金的組織和力學(xué)性能方面的研究成果

3.顯微結(jié)構(gòu)分析

增材制造是一種分層技術(shù)，它在許多方面不同于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，如鑄造、鍛造或軋制。因此，這里觀察到的微觀結(jié)構(gòu)不同于軋制或變形組織。Song 等人[15]綜述了PBF與常規(guī)材料的微觀結(jié)構(gòu)差異。

這種不同的方法產(chǎn)生了一些特殊的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了獨(dú)特的材料性能。通過各種PBF技術(shù)，也可以提供或多或少適合特定應(yīng)用的微觀結(jié)構(gòu)譜。本節(jié)將重點(diǎn)介紹典型的PBF微結(jié)構(gòu)，并展示工藝參數(shù)是如何產(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)的。Adegoke等對(duì)LPBF γ′強(qiáng)化鎳基高溫合金的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)闡述了工藝參數(shù)對(duì)這些合金組織和缺陷[24]的影響。

3.1. 典型PBF微觀結(jié)構(gòu)

本節(jié)將描述典型的LPBF和EBM微結(jié)構(gòu)，以及這些微結(jié)構(gòu)如何與工藝參數(shù)聯(lián)系起來。PBF微結(jié)構(gòu)具有特定的工藝缺陷。Malekipour等人和Grasso等人[7,91]對(duì)這些缺陷以及工藝參數(shù)如何影響它們進(jìn)行了綜述。圖17顯示了PBF過程中的一些典型缺陷。要了解更多細(xì)節(jié)，讀者可參考上述論文。

圖17。粉末床熔接工藝缺陷綜述 [91]

圖18展示了IN718 AB LPBF試樣的微觀組織概況[92]。在XZ平面可以清晰地觀察到熔池的形態(tài)(圖18a)，而在XY平面可以識(shí)別出激光掃描軌跡(圖18b)[92]。圖19顯示了XY平面[59]上寬度為~75 μm的單個(gè)激光掃描軌跡的EBSD圖像。已構(gòu)建（AB）樣品在構(gòu)建方向具有較強(qiáng)的<100>晶體織構(gòu)[93]。在軌跡[59]重疊區(qū)域可以識(shí)別出平均尺寸為10μm的等軸小晶粒。這兩個(gè)方向上的微觀組織差異導(dǎo)致PBF鎳基高溫合金部件的力學(xué)各向異性，這對(duì)研究人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖18所示。已建成的激光粉末床熔融鉻鎳鐵合金718試樣圖像。(一)側(cè)視圖。(b)高級(jí)視圖。(c)層間熔池邊界。(d)兩側(cè)相鄰軌道之間的熔池邊界。圖中(a)中的箭頭表示構(gòu)建方向(BD)，圖中(b)中的圓表示平面與構(gòu)建方向垂直。(a)中的熔池和(b)中的激光掃描軌跡清晰可見。(c)和(d)中的黃色箭頭表示枝晶生長方向。它們遵循(c)中的構(gòu)建方向，而(d)中沒有首選方向[92]。這些圖像說明了特殊的各向異性微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的粉末床融合過程。(關(guān)于這個(gè)圖例中關(guān)于顏色的解釋，讀者可以參考本文的Web版本。)

圖19所示。激光粉末床熔融鉻鎳鐵合金718試樣[59]的電子背散射衍射圖。這表明晶粒長大的主導(dǎo)方向是在構(gòu)建方向，具有較強(qiáng)的<100>晶體織構(gòu)，這是粉末床熔合過程的特點(diǎn)。帶有小等軸晶粒的單個(gè)激光掃描軌跡，重疊區(qū)域也可以在XY平面上看到(垂直于建筑方向)。

枝晶生長方向(圖18c中黃色箭頭)沿生成方向(z)生長，但軌道界面兩側(cè)的枝晶生長方向并不優(yōu)先(圖18d)[92]。相比之下，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，新形成的晶體生長成細(xì)胞樹突的方向是平行于原來的方向或旋轉(zhuǎn)90◦[94]。這使得顆�？梢詮囊粚訚B透到另一層。Chlebus等人研究了AB LPBF IN718樣品[58]的樹枝狀區(qū)域(圖20a)和樹枝間區(qū)域(圖20b)的特征。在PBF過程中產(chǎn)生的快速加熱和冷卻循環(huán)導(dǎo)致了較小的枝晶間區(qū)域(nm范圍內(nèi))。由于冷卻速度過快，導(dǎo)致Nb、Mo、C等合金元素在枝晶形成過程中發(fā)生微偏析。在圖20a中可以觀察到一些化學(xué)成分的不均勻性，用箭頭2[58]表示。這種偏析促進(jìn)了枝晶間區(qū)域NbC碳化物和Laves相的形成，如圖20b[58]所示。

圖20。增材制備鎳基高溫合金中現(xiàn)象掃描電鏡圖像的典型例子。(a)相鄰層之間界面的概覽。(b)樹突間區(qū)域。標(biāo)記1表示層-層熔池邊界，2表示樹枝狀晶胞尖端，3和4突出一些γ + Laves相共晶，5點(diǎn)為MC碳化物[95]。這些特點(diǎn)是由于激光粉末床熔合過程中的快速加熱和冷卻造成的。

EBM樣品的顯微結(jié)構(gòu)與LPBF樣品略有不同。Kirka等人分析了EBM IN718樣品的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分[96]。用EDS鑒定了不同的相，其化學(xué)組成見表5。AB - EBM材料的微觀形貌(圖21)顯示，EBM材料具有較低的位錯(cuò)密度(比LPBF材料低)、AB態(tài)的Laves相和MC碳化物以及較大的盤狀γ”顆粒(平均尺寸為80 nm)。

表5圖21所示相的化學(xué)組成(wt %)[96]。這進(jìn)一步證明了電子束熔化的Inconel 718在初始狀態(tài)下存在Laves相和MC碳化物

圖21。原位電子束熔融鉻鎳鐵合金718的微觀結(jié)構(gòu)和電子衍射光譜

S增材制造e 等人觀察到AB EBM IN718試樣的微觀結(jié)構(gòu)沿構(gòu)建方向的變化(圖22)[97]。頂部的針狀δ顆粒比底部粗得多。此外，該區(qū)域的材料在蝕刻時(shí)顯示出更大的對(duì)比，表明二次元素偏析更嚴(yán)重。Deng等人提供了IN718在EBM期間沉淀相形貌和微觀結(jié)構(gòu)變化的更詳細(xì)的信息[98]。所有這些結(jié)果表明，熱循環(huán)在建造過程中有所變化，受已沉積層數(shù)的影響。因此，本地化高溫是PBF中常見的現(xiàn)象，應(yīng)考慮過程中優(yōu)化。

圖22。電子束熔化的鉻鎳鐵合金718樣品的掃描電子顯微圖。(a)樣品頂部(極少熱循環(huán))。(b)樣品底部(多次熱循環(huán))[97]。這表明了沿構(gòu)建方向的微觀結(jié)構(gòu)的變化，特別是頂部較粗的δ顆粒(a)

Polonsky等人研究了EBMIN718標(biāo)本中融合缺陷的存在和形態(tài)[99]。在XY平面上發(fā)現(xiàn)了主展弦比小于0.2且向構(gòu)建方向的柱狀晶粒包圍缺陷(圖23a)。相反，缺陷上方的區(qū)域有小的等軸晶粒，幾乎沒有明顯的紋理。這表明，缺陷驅(qū)動(dòng)再結(jié)晶現(xiàn)象，并影響最終的微觀組織。

圖23所示。電子背散射缺陷周圍晶粒的衍射數(shù)據(jù)。(a)融合缺陷周圍的柱狀晶粒。(b)缺陷上方的等軸晶粒[99]。這表明，缺陷也會(huì)影響粉末床熔合過程中的構(gòu)建過程和由此產(chǎn)生的微觀組織形態(tài)。

表6總結(jié)了LPBF和EBM之間常見的微觀結(jié)構(gòu)差異，圖24說明了其中的一些差異。

  

表6激光粉末床熔料與電子束熔料的共同顯微組織差異總結(jié)。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，建議讀者謹(jǐn)慎使用。此表僅作為一個(gè)寬泛的指南，不同的工藝配置會(huì)有不同的觀察結(jié)果。

圖24。熱等靜壓Inconel 625的組織塊。(a)電子束熔化加工。(b)激光粉末床聚變。顯示不同工藝產(chǎn)生的微觀組織的差異[100]，如晶粒形貌和尺寸。

由于粉末熔融和熔池再結(jié)晶是PBF的核心現(xiàn)象，不同的構(gòu)建參數(shù)和后處理技術(shù)將導(dǎo)致不同的特性，可以使用不同的方法來量化。更詳細(xì)地探索這些問題是一個(gè)關(guān)鍵問題。

3.2. 工藝參數(shù)對(duì)打印過程的影響

PBF工藝參數(shù)自然會(huì)對(duì)打印質(zhì)量和產(chǎn)生的微觀組織產(chǎn)生影響。事實(shí)上，在LPBF[101-103]和EBM[104]中，使用優(yōu)化的工藝參數(shù)可以抑制孔洞的形成和缺陷的形成，如微裂紋。關(guān)于金屬材料LPBF的過程-微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的綜述論文已經(jīng)在前面介紹過，讀者可以據(jù)此閱讀這些論文[105-107]。Kumara等人也研究了PBF IN718的相變[108]。本文綜述了不同構(gòu)建參數(shù)對(duì)鎳基高溫合金組織PBF的不同影響。

3.2.1. 粉末特性對(duì)構(gòu)建質(zhì)量的影響

粉末質(zhì)量是決定PBF組分最終質(zhì)量的關(guān)鍵。粉末可以通過旋轉(zhuǎn)霧化法，氣霧化或水霧化發(fā)制備，并表現(xiàn)出不同的形貌，粒徑分布，流動(dòng)性，表面粗糙度和化學(xué)成分。這些標(biāo)準(zhǔn)因供應(yīng)商而異[109]。Sutton等人回顧了最常用的粉末表征技術(shù)，關(guān)注粉末質(zhì)量對(duì)最終材料性能的影響[110]。Tan等人針對(duì)粉末表征技術(shù)進(jìn)行了類似的綜述，但特別強(qiáng)調(diào)粉末粒度測(cè)定[111]。這被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵的方法，以確保原料的高性能，這會(huì)最終影響到打印件的成形質(zhì)量。

研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)成分對(duì)顯微組織的影響最大，某些元素含量較高，會(huì)導(dǎo)致有害元素的析出，阻止HT過程中的再結(jié)晶，從而降低機(jī)械性能，尤其是疲勞性能[109]。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)LPBF Hastelloy X在凝固過程中合金元素的偏析導(dǎo)致成分的變化，從而導(dǎo)致構(gòu)建方向的開裂[112]。Mancisidor等人通過研究不同合金元素含量的四種粉末，獲得了一種無缺陷材料[112]。

多位研究者對(duì)鎳基粉末的可回收性進(jìn)行了研究[113-116]。這些通�？梢杂^察到，只要回收的粉末被很好地篩分和儲(chǔ)存，使用回收的和新鮮的粉末制造的樣品在10次以上的構(gòu)建周期中很少或沒有性能差異。然而，研究發(fā)現(xiàn)金屬粉末中微量合金元素的存在會(huì)影響PBF試樣的裂紋形成機(jī)制[117]。

S增材制造e等人評(píng)估了使用各種生產(chǎn)方法獲得的粉末所制造組件的性能，即氣體霧化器、旋轉(zhuǎn)霧化器和等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)[118]。從SEM觀察來看，與其他粉末相比，PREP粉末表面更光滑，幾乎沒有內(nèi)部氣孔(圖25a-c)。原始粉末顆粒中的空隙可能會(huì)導(dǎo)致最終PBF部分的孔隙數(shù)增加，前兩種方法得到的粉末也是如此(圖25d和e)。

圖25。粉末及相應(yīng)的激光粉末床熔接試樣[118]。(a) 100 μm尺度氣體霧化粉末。(b) 100 μm粒徑的旋轉(zhuǎn)霧化粉末。(c)等離子體旋轉(zhuǎn)電極處理100 μm尺度的粉末。(d) 200 μm尺度氣體霧化粉末。(e) 200 μm粒徑的旋轉(zhuǎn)霧化粉末。(f)等離子旋轉(zhuǎn)電極處理200 μm尺度的粉末。從掃描電鏡觀察，等離子體旋轉(zhuǎn)電極加工的粉末表面更光滑，幾乎沒有內(nèi)部的圈閉氣體，說明了粉末類型對(duì)粉末床熔接材料微觀結(jié)構(gòu)的重要性和影響

另一項(xiàng)研究比較了粉末霧化方法，發(fā)現(xiàn)使用水霧化粉末制造的LPBF部件比氣體霧化粉末產(chǎn)生更高的樣品孔隙率。這被認(rèn)為是由于水霧化粉末的形態(tài)更加不規(guī)則，因而更容易堆積橋接，但這一觀察結(jié)果遠(yuǎn)不能得出結(jié)論[119]。然而，氣體霧化粉末仍有局限性，如空心和/或衛(wèi)星球[120]。研究還發(fā)現(xiàn)，增大粉末顆粒的表面粗糙度可以提高激光吸收率[120]。

在顆粒尺寸方面，研究發(fā)現(xiàn)小于10μm的粉末顆粒的存在會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的團(tuán)聚，通過擴(kuò)散問題阻礙LPBF過程[121]。此外，還開發(fā)了一種快速表征粉末(形態(tài)、流動(dòng)性和尺寸分布)的方法，以評(píng)估不同合金成分對(duì)LPBF加工性能的影響[122]。

很明顯，許多參數(shù)結(jié)合在一起決定了粉末的質(zhì)量，這反過來又影響了PBF過程和由此產(chǎn)生的機(jī)械性能。因此，為了生產(chǎn)足夠的零件，理解和控制粉末質(zhì)量是必要的。因此，粉末的作用是至關(guān)重要的，以確定與入射能量束的相互作用，并確保在粉末床上的鋪展能力。

此外，粉末的可循環(huán)性及其對(duì)力學(xué)性能和原位合金化的影響[123，124]是新興的課題，應(yīng)該進(jìn)行研究。在許多情況下，PBF工藝的經(jīng)濟(jì)可行性不僅取決于新粉末的成本，還取決于其回收的難易程度，因此存在著進(jìn)一步探索這一領(lǐng)域的重要機(jī)會(huì)。

3.2.2. 控制構(gòu)建環(huán)境

Poorganji等人[125]對(duì)PBF中的構(gòu)建環(huán)境進(jìn)行了綜述。所有PBF建造室通常在真空或惰性氣體(如氬氣或氮?dú)?下操作，以避免部件和粉末的氧化。Traore等研究了氣體氣氛對(duì)鎳基高溫合金的影響[126]。然而，即使在<0.2%的氬氣氣氛中加工，仍可能發(fā)生氧化，導(dǎo)致工件中存在氧化物夾雜和氧化物飛濺顆粒，這些顆粒處于可回收的尺寸范圍內(nèi)[127]。Zhao等人研究了EBM和LPBF中構(gòu)建環(huán)境對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的作用[128]。

LPBF構(gòu)建環(huán)境具有較高的大氣壓力和多次激光反射，是比EBM構(gòu)建環(huán)境更多構(gòu)建質(zhì)量問題的來源，如熔體表面的蒸汽反沖壓力。此外，研究了IN718粉末重復(fù)使用的多循環(huán)EBM的表面形貌和組成的差異，在將粉末暴露于建造室環(huán)境后有顯著的變化[129]。此外，與鍛制的[130]相比，EBM N06002合金的氧化速率最初有所提高。研究證實(shí)，PBF過程中IN718合金中形成了Al2O3顆粒，作為Nb/Ti碳化物析出的成核位點(diǎn)，形成了獨(dú)特的核殼復(fù)合材料，中心為Al2O3，外圍為Ti/Nb[131]。

控制EBM工藝溫度也可以影響微結(jié)構(gòu)[132]。在915℃，大尺寸的針狀δ相形成(圖26a)。增大掃描電鏡放大比(圖26b)，發(fā)現(xiàn)晶界處分布有較細(xì)的δ相(~200 nm)，以及一些孤立的MC碳化物(~1.5 μm)。另一方面，獲得的微觀結(jié)構(gòu)在990℃展現(xiàn)出相對(duì)干凈的組織。在晶界處還發(fā)現(xiàn)較粗的碳化物(~3 μm)和較細(xì)的δ顆粒(圖26c和d)。

圖26。不同底板溫度下電子束熔化的Inconel 718的掃描電子顯微圖[132]。(a)，(b) 915℃。(c)， (d) 990℃。由此可見工藝溫度對(duì)二次相析出的影響。

總的來說，這表明構(gòu)建環(huán)境需要得到充分的控制，以獲得無缺陷和所需的微結(jié)構(gòu)。

3.2.3. 能量束對(duì)打印過程的影響

激光功率、掃描速度、搭接距離和掃描策略等激光參數(shù)是影響PBF微結(jié)構(gòu)的主要因素。“條紋”、“彎曲”、“全填充”和“棋盤”(也稱“島”)策略是目前LPBF中使用的一些主要掃描策略(圖27)。不同的定制策略，包括多激光[133]、殘余熱因子[134]和“單元單元”策略[135]，也正在開發(fā)中，以獲得和控制微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒形態(tài)、密度、缺陷、裂紋和表面質(zhì)量。

圖27所示。雷尼肖的Quant增材制造材料編輯器展示了典型的掃描策略。這些結(jié)果導(dǎo)致顯微組織和力學(xué)性能顯著不同。

Helmer等在EBM研究中，以面積能量密度E [J mm−2]為比較參數(shù)，評(píng)估了激光功率P [W]、掃描速度v [m s−1]和搭接距離H [μm]對(duì)晶粒形貌的總體影響[136]。為了便于比較，兩個(gè)試樣的能量密度相似，第一個(gè)試樣的能量密度為1.8 J mm−2，第二個(gè)試樣的能量密度為1.9 J mm−2[94]。如圖28所示，不同的掃描速度和搭接距離會(huì)產(chǎn)生兩種截然不同的晶粒形貌。此外，Karimi等人的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，電子束聚焦偏移也直接影響晶粒形態(tài)[137]。Fernandez-Zelaia等人也指出，中尺度的形態(tài)和結(jié)構(gòu)可由熔融順序控制[138]。在LPBF過程中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[139]。事實(shí)上，在一項(xiàng)LPBF研究中，與200 W高斯光束相比，使用平頂激光束可以將晶粒形態(tài)改變?yōu)閷捛移矫娴膸缀涡螤�，晶粒尺寸增加�?50%[140]。Sow等人還比較了80μm直徑的高斯激光光斑和500 μm直徑的平頂激光束，發(fā)現(xiàn)500μm直徑的平頂激光束提高了生產(chǎn)率，抑制了飛濺，并產(chǎn)生了完全致密的IN625零件[141]。

圖28。不同參數(shù)電子束熔融試樣的電子后向散射衍射圖。(a)參數(shù):E1 = 1.8 Jmm−2,v = 2.2 ms−1,H = 150 μm。(b)參數(shù):E2 = 1.9 Jmm−2,v = 8.8 ms−1,H = 37.5 μm[136]。這說明不同的工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致不同的微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)。

圖29對(duì)比了兩種不同激光功率(250W和950 W)的IN718 LPBF試樣的特征[67]。熔池的形狀和大小可以很容易地在OM中識(shí)別出來，突出了激光功率的明顯影響。事實(shí)上，較低的功率產(chǎn)生較小的熔池，并導(dǎo)致底層高溫的減少。這與隨之而來的快速凝固相結(jié)合，導(dǎo)致了更小的晶粒。

圖29。不同激光功率刻蝕的激光粉末床熔融鉻鎳鐵合金718試樣光學(xué)顯微圖[67]。(a)功率= 250 W。(b)功率= 950 W�？梢郧宄�地觀察到跨層的熔池，并表明激光功率的差異可以顯著地影響熔池的形狀。

對(duì)于LPBF IN738LC，使用更高的激光功率會(huì)增加匙孔的深度，由于匙孔的周期性坍縮導(dǎo)致不穩(wěn)定和增加孔隙形成[142]。此外，激光體積能量密度是影響裂紋和孔隙率的主要參數(shù)。例如，激光體積能量密度的增加會(huì)導(dǎo)致SRR99鎳基高溫合金中裂紋數(shù)量和尺寸的增加[143]，而在具有窄熔池和強(qiáng)熔池重疊的IN738LC中觀察到最小的凝固開裂[143]。在LPBF中使用3種不同的策略(曲流、條紋和棋盤)構(gòu)建Ren′e 104高溫合金，發(fā)現(xiàn)這些策略對(duì)裂紋和相對(duì)密度有顯著影響[142]。更多分區(qū)的掃描策略會(huì)增加裂紋的出現(xiàn)，而重疊區(qū)域則會(huì)增加裂紋的尺寸、數(shù)量和頻率[142]。同樣，殘余應(yīng)力是由掃描策略誘導(dǎo)的微觀組織引起的[144]，研究發(fā)現(xiàn)，更均勻的掃描策略導(dǎo)致更少的殘余應(yīng)力[145]。Lee等對(duì)EBM Mar-M247零件裂紋的形成進(jìn)行了研究，得出裂紋通常在凝固結(jié)束時(shí)沿枝晶間晶界形成，這是由于液相膜和殘余熱應(yīng)力共存的結(jié)果[102]。Peng等研究表明，在DZ125高溫合金中，EBM誘導(dǎo)的裂紋也廣泛分布在枝晶間晶界處，屬于“液態(tài)裂紋”[103]。

關(guān)于裂紋形成機(jī)理也得出了類似的結(jié)論。從上面可以清楚地看出，裂紋或熱裂紋的形成是PBF的一個(gè)問題，但通過適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，這些可以減少或消除。Chauvet等人研究了不可焊鎳基高溫合金EBM中裂紋的形成，發(fā)現(xiàn)熱裂紋與大角度晶界之間存在相關(guān)性[146]。他還發(fā)現(xiàn)，在凝固的最后階段，液態(tài)膜的存在和熱應(yīng)力會(huì)引發(fā)熱裂[146]。Marchese等人也證實(shí)了在哈氏X合金的LPBF過程中，高的熱殘余應(yīng)力導(dǎo)致了熱裂紋[147]。

零件密度也受激光參數(shù)的影響。事實(shí)上，有研究發(fā)現(xiàn)GH3536的LPBF過程中密度與激光輸入能量的關(guān)系服從二次函數(shù)，呈倒u型分布[145]。結(jié)果表明，在給定的掃描策略下，在一定的通量范圍內(nèi)，密度隨掃描速度的增加而減小[148]。

激光重疊不足(搭接間距大)會(huì)使材料表面惡化[149]。的確，激光能量的輸入提高了Ni-Cr-B-Si的密度和表面質(zhì)量，具有細(xì)小的晶粒組織和強(qiáng)化的析出相[150]。Attard等人研究了這些影響，并通過改變工藝參數(shù)產(chǎn)生了可控的功能梯度微結(jié)構(gòu)[151]。

最后，可以看出掃描策略、激光功率等工藝參數(shù)的組合對(duì)PBF構(gòu)件的組織和最終力學(xué)性能有影響。為了優(yōu)化PBF工藝參數(shù)，一些研究人員使用了田口回歸法[152,153]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[154]。

3.3.通過后處理改善組件性能

考慮到材料的微觀結(jié)構(gòu)各向異性以及在制造過程中產(chǎn)生的缺陷，后處理是提高大部分AB型LPBF材料性能的必要手段。后處理，包括熱處理，表面處理和加工過程，是創(chuàng)造更有利的微結(jié)構(gòu)的主要方法。后處理的目的是提高零件本體和表面的形狀和完整性，以提高性能特征。

雖然在所有增材制造過程的意圖是在一個(gè)單一的步驟中創(chuàng)建一個(gè)組件，這是不可避免的，在缺點(diǎn)明顯的地方，必須采取額外的措施。這與現(xiàn)有的生產(chǎn)路線并不完全不一致。例如，在現(xiàn)代制造業(yè)中，用機(jī)器加工鑄件是一項(xiàng)普通的活動(dòng)。然而，在需要后續(xù)處理的增材制造的情況下，這種技術(shù)的業(yè)務(wù)和設(shè)計(jì)案例將被破壞。因此，雖然目前常常是必要的，研究團(tuán)體必須努力實(shí)現(xiàn)幾何公差和材料條件的過程。Lim等人所寫 的一篇關(guān)于降低金屬PBF零件殘余應(yīng)力的綜述[155]表示，雖然應(yīng)力可以通過工藝優(yōu)化大大降低，但在PBF工藝中不能完全消除。

3.3.1. 強(qiáng)化機(jī)械性能的熱處理

在工業(yè)上，幾乎所有關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的功能性增材制造部件都是使用HT進(jìn)行后處理的。高溫可以通過控制加熱和冷卻材料來改變微觀結(jié)構(gòu)。通過改變材料的微觀組織，可以提高材料的力學(xué)性能。事實(shí)上，AB材料的性能較差是因?yàn)楸砻嫱暾�性缺陷和不利的微觀組織形成[156]，二次相如Laves相使晶界脆性，不利于力學(xué)性能[95]。因此，熱處理（HT）可以增大晶粒尺寸[157]，獲得更等軸的微觀組織，溶解有害相，如Laves[158]，形成強(qiáng)化析出相如δ-相、γ′和γ "[156,159]，并去除缺陷[160]以改善力學(xué)性能。盡管有時(shí)AB微觀結(jié)構(gòu)對(duì)某些性能更有利，比如Parizia等人發(fā)現(xiàn)AB IN625比HT具有更好的抗氧化性[161]。高溫有不同的類型，每一種都有不同的微觀結(jié)構(gòu)。通常情況下，試樣是先去應(yīng)力的，這樣可以減少試樣的織構(gòu)和殘余應(yīng)力[162]。然后，采用固溶處理(ST)，通過溶解有害相[164,165]來提高力學(xué)性能[163]。隨后，有時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行時(shí)效(單時(shí)效或雙時(shí)效)，有利于強(qiáng)化相的析出[158]。

樣品可采用溶液處理后時(shí)效(STA)或直接時(shí)效(DA)。其他如均質(zhì)化和HIP一類的熱處理技術(shù)也被使用。均勻化通常在熱等靜壓之前使用，它類似于應(yīng)力消除，因?yàn)樗�可以使柱狀晶粒重新定向[157]。Zhao等人觀察到，在LPBF IN718的均勻化過程中，晶粒會(huì)繼續(xù)再結(jié)晶，而吸力鑄造合金則出現(xiàn)了異常的晶粒長大，這表明通過高溫?zé)崽幚韺?duì)增材制造材料的微觀組織進(jìn)行改造，從而獲得比常規(guī)制造合金更好的力學(xué)性能[166]。HIP導(dǎo)致再結(jié)晶、晶粒粗化，并從高織構(gòu)的柱狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向的等軸晶粒，這些晶粒比均勻化后的晶粒更大[64,157,167,168]。此外，與STA[168]相比，得到的紋理略弱，但仍較強(qiáng)[167]。研究還發(fā)現(xiàn)，熱等靜壓也能有效閉合缺陷，從而獲得更高的密度[169]。

傳統(tǒng)制造的材料存在不同的高溫標(biāo)準(zhǔn)，然而，由于目前還沒有確定PBF特有的高溫標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)變形高溫和改性高溫對(duì)PBF組織的影響進(jìn)行了大量的研究。

粉末床熔合增材制造鎳合金(UNS N07718)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[170]為PBF鎳基高溫合金的熱處理提供了指南。對(duì)于HIP過程，組件應(yīng)在不低于100MPa的惰性氣氛中加工，在1120℃和1185℃±15℃的范圍內(nèi)，并保持240±60分鐘，然后在425℃以下的惰性氣氛下冷卻[170]。對(duì)于高溫合金，規(guī)定零件應(yīng)按照增材制造S2774《變形鎳合金和鈷合金零件熱處理標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行固溶處理和時(shí)效[171]。該標(biāo)準(zhǔn)給出了不同幾何形狀鎳基高溫合金的可能熱處理范圍。值得注意的是，這些HT中沒有一個(gè)是專門針對(duì)增材制造的，而是針對(duì)傳統(tǒng)的制造工藝。這就突出了PBF特殊微結(jié)構(gòu)開發(fā)的必要性。一些從業(yè)者，如Huang等人和Aydin¨oz等人，已經(jīng)開始研究這一領(lǐng)域[163,172]。例如，Huang等研究了固溶時(shí)間、固溶溫度、冷卻方式和時(shí)效過程對(duì)LPBF IN718力學(xué)性能的影響，確定在給定溫度下存在最小的固溶時(shí)間，以獲得相似的組織和力學(xué)性能(圖30)。

圖30。激光粉末床熔融鉻鎳鐵合金718所需溶解時(shí)間隨溶解溫度的變化[163]。這表明，在一定的溶液溫度下，存在一個(gè)最小的溶解時(shí)間，從而導(dǎo)致類似的組織和性能。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了發(fā)展粉末床熔合特定熱處理的要求，因?yàn)闉閭鹘y(tǒng)制造的材料設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)熱處理是不合適的。

3.1.1.晶粒結(jié)構(gòu) 雖然晶界通常只占材料體積的一小部分，但它們對(duì)材料的性質(zhì)起著至關(guān)重要的控制作用。與這種行為相關(guān)的敏感性促使人們?cè)趦?yōu)化流程方面做出巨大努力。圖31a和b比較了高溫和熱等壓+高溫LPBF IN718試樣的顯微組織[173]。在這兩種情況下，使用的掃描策略的明顯證據(jù)都被消除了[173]。測(cè)量結(jié)果表明，高溫處理樣品的平均晶粒尺寸為15.5±2.0 μm，比熱等高溫處理樣品的晶粒尺寸小30%。

圖31所示。不同熱處理?xiàng)l件下激光粉末床熔鉻鎳鐵合金718的顯微組織[173]。(a)熱處理樣品的微觀結(jié)構(gòu)，用(a)中平方截面的電子衍射光譜結(jié)果。(b)熱等靜壓和熱處理樣品。這表明熱處理可以消除掃描策略效應(yīng)。

Holland等研究了AB和HT LPBF IN718試樣中晶界網(wǎng)絡(luò)的演化[174]。AB試樣中以非特異性晶界為主，高溫?zé)崽幚砗筇厥饩Ы绲臄?shù)量從9%顯著增加到60%左右。第二類晶界包括孿晶界和孿晶相關(guān)晶界，能夠提高材料的強(qiáng)度和抗晶間降解能力。另一項(xiàng)關(guān)于LPBF IN625的研究也得到了類似的結(jié)果[175]。還發(fā)現(xiàn)，在一定的退火溫度(1150◦C)以上，這些晶界發(fā)展明顯。

“晶界取向錯(cuò)誤”的定義是同一相相鄰晶粒間的晶體取向差異。這種微觀結(jié)構(gòu)特征可以通過EBSD來表征。Gribbin等人評(píng)估了某些高溫和熱等熱+高溫LPBF IN718樣品的取向偏差角(圖32)[176]。高溫試樣的取向角分布較寬，沒有擇優(yōu)生長方向。另一方面，對(duì)于熱疲勞+高溫?zé)崽幚碓嚇�，�?0◦處有一個(gè)突出的峰值，表明退火導(dǎo)致的等軸晶粒結(jié)構(gòu)，孿晶含量高。Zhang等人先前觀察到的對(duì)疲勞性能的不利影響與定向錯(cuò)誤效應(yīng)密切相關(guān)[177]。

圖32。激光粉末床熔鉻鎳鐵合金718樣品的電子背散射衍射圖顯示晶粒形態(tài)和取向角分布[176]。(一)熱處理樣品。(b)熱等靜壓和熱處理樣品。與熱等靜壓和熱處理樣品相比，熱處理樣品中廣泛的分布表明沒有首選的生長方向。

Chauvet等人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在AB和HT EBM試樣中，當(dāng)晶界取向誤差較大時(shí)，晶界更容易裂紋擴(kuò)展(圖33)[146]。Han等人在這方面也得到了類似的結(jié)果[178]。研究還得出結(jié)論，如圖34所示，枝晶尖端和根部之間的枝晶間液體壓力差異會(huì)導(dǎo)致枝晶根部熔融物質(zhì)的補(bǔ)進(jìn)不足，促進(jìn)空洞的產(chǎn)生，從而極大地影響了零件的熱裂行為。

圖33。該圖表明，在電子束熔化的預(yù)制和熱處理樣品中，具有高取向誤差角的晶界容易裂紋擴(kuò)展[146]。(a)電子背散射衍射圖，顯示沿大角度晶界的裂紋晶界(錯(cuò)方向> 15◦)。(b)晶界取向錯(cuò)和裂紋晶界的分布。

圖34。激光粉末床熔合過程中的熱裂機(jī)理示意圖[178]，顯示了單個(gè)熔池中裂紋的形成和生長。這表明，枝晶尖端和根之間的枝晶間液體壓力的差異導(dǎo)致了枝晶根部熔融物質(zhì)的供給不足，促進(jìn)了空穴的產(chǎn)生，從而極大地影響了零件的熱裂行為。

Tomus等人比較了不同后處理技術(shù)處理的LPBF哈氏X合金試樣的晶粒形態(tài)[179]。HT包含在一個(gè)單一的解決步驟(1175◦C/2h)，而髖關(guān)節(jié)使用相同的時(shí)間和溫度，施加150 MPa的應(yīng)力。圖35a、c、e、g顯示了一系列EBSD圖像，分別表示AB、HT、HIP和HIP + HT樣品在XZ平面上的晶粒形態(tài)。HT和HIP有效地降低了AB試樣在構(gòu)建方向上的強(qiáng)紋理[180]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，LPBF哈氏X合金的HIP“閉合”內(nèi)部裂紋，減少孔隙并生成等軸晶[181]。在CMSX-4中也觀察到了這一點(diǎn)[77]。圖35b、d、f、h表示垂直于構(gòu)建方向(XY平面)的晶粒形貌。HIP試樣由于再結(jié)晶，晶粒尺寸變小。與之前的結(jié)果相似，在XY平面[59]中也觀察到單獨(dú)的激光掃描軌跡和小的等軸晶粒。對(duì)后處理技術(shù)的進(jìn)一步研究表明，HIP不能被認(rèn)為是治療EBM引起的裂紋的有效工具[182]。

圖35。不同熱處理?xiàng)l件下，平行(XZ)和垂直(XY)的晶粒形貌[179]。(a)與建造方向平行的已建成標(biāo)本。(b)垂直于建造方向的已建成試件。(c)平行于構(gòu)建方向的熱處理試樣。(d)垂直于構(gòu)建方向的熱處理試樣。(e)平行于成型方向的熱等靜壓試件。(f)垂直于構(gòu)建方向的熱等靜壓試件。(g)平行于成型方向的熱等靜壓熱處理試件。(h)垂直于構(gòu)建方向的熱等靜壓和熱處理試樣。熱處理和熱等靜壓處理有效地降低了預(yù)制試件在構(gòu)建方向上的強(qiáng)織構(gòu)。

3.3.1.2. 沉淀的形成 圖31a和b比較了高溫和熱等靜壓+高溫LPBF IN718試樣的顯微組織，結(jié)果表明，在晶界處明顯可見“白色”析出相[173]。EDS觀測(cè)(圖31)顯示，這些元素富含Mo、Nb、W和Si，其化學(xué)計(jì)量比為(MoNbW)5Si3[173]。但兩種試樣的析出相尺寸相近(~2.5 μm)[173]。

同樣，Sames等人研究了原位高溫對(duì)EBMIN718樣品中γ′/γ”相的影響[183]。AB試樣中的γ′/γ”相呈拉長的盤狀，直徑約為20 nm，厚度約為10 nm(圖36a)。從圖36的顯微照片對(duì)比來看，在原位高溫過程中，這些強(qiáng)化顆粒的直徑和厚度都增加了。由于強(qiáng)化相具有最佳的尺寸范圍和相應(yīng)的力學(xué)性能，人們發(fā)現(xiàn)這一過程可以通過阻止晶界位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來有效提高材料強(qiáng)度[183][173]。

圖36。透射電鏡顯示電子束熔化的Inconel 718樣品中的γ”析出物[183]。(a)已建成樣品(冷卻速率低)。(b)原位熱處理樣品。這說明了熱處理對(duì)強(qiáng)化相γ”尺寸的影響。

此外，Divya等人還研究了高溫對(duì)LPBFCM237LC試樣中位錯(cuò)和強(qiáng)化顆粒的影響[184]。在AB試樣中(圖37a)，位錯(cuò)糾纏并傾向于在晶界處堆積。如圖37d所示，高溫降低了位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)密度，尤其是在晶粒中心。這些觀察結(jié)果與Tucho等人[185]的結(jié)果一致。同時(shí)，高溫?zé)崽幚盹@著增加了γ′相的尺寸。事實(shí)上，在HT之前，可以觀察到兩種不同類型的γ′相:一種尺寸為~5 nm(圖37b)，另一種更大，尺寸為~50 nm(圖37c)。經(jīng)過高溫處理(圖37d和e)，初生γ′粒子的尺寸達(dá)到500 nm以上，而次生γ′粒子的尺寸為200~ 400 nm，為立方體形貌。細(xì)小的三級(jí)γ′粒子分布在二級(jí)γ′粒子之間。

圖37。激光粉末床熔接CM247LC樣品中的位錯(cuò)和γ′相[184]。(a)、(b)、(c)已建成。(d)， (e)熱處理這表明位錯(cuò)糾纏并傾向于在晶界處堆積。熱處理也降低了位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)密度，特別是在晶粒中心。

高溫對(duì)γ′顆粒尺寸的影響可能是高溫強(qiáng)化機(jī)理的基礎(chǔ)。在LPBF Haynes 282上的3步高溫過程中，在950◦C TEM原位高溫期間發(fā)現(xiàn)了γ′沉淀[186]。高溫?zé)崽幚砗�，γ′相的形貌和尺寸與粉末冶金樣品相似，并形成退火孿晶[78]。對(duì)LPBF CMSX-4進(jìn)行HT優(yōu)化，獲得γ/γ′偏析組織[52]。

Kuo等人評(píng)估了不同高溫處理策略對(duì)LPBFIN718樣品δ相的影響[92]。AB試樣中，δ-相平行于鑄型方向分布，鑄型過程中Nb偏析導(dǎo)致δ-相在枝晶間區(qū)偏析(圖38a)。這可能是LPBF過程中Nb偏析的結(jié)果。經(jīng)過固溶處理和老化(STA)(980◦C/1h then 718◦C/8h + 621◦C/10h)的樣品比非固溶處理的樣品具有更粗的δ-相(分別圖38b和C)。這種差異可能與第一次熱處理過程中γ”相的溶解和隨后形成的針狀δ相有關(guān)。然而，這些拉長的顆粒是不可取的，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致“δ相脆化”。

圖38。激光粉末床熔Inconel 718樣品枝晶間區(qū)δ-相[92]。(a)激光粉末床聚變過程中存在Nb偏析。(b)溶液+老化處理。(c)直接的年齡。在第一次熱處理過程中，固溶處理和時(shí)效處理的試樣中γ”相的溶解和針狀δ相的形成，使試樣中δ相的含量比非固溶處理的試樣粗。這表明熱處理對(duì)粉末床熔凝材料中析出相的存在、尺寸和形貌都有影響。

Stoudt等人給出了LPBF和變形IN625試樣中δ-相的時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)換圖[187]。結(jié)果表明，LPBF過程中δ相的形成比常規(guī)鍛造過程快得多。此外，據(jù)觀察，工業(yè)上通常用于 IN625 的應(yīng)力消除 HT（870 ◦C/1h，圖 39 中的紅點(diǎn)）在LPBF 過程中會(huì)促進(jìn)δ相的形成，而對(duì)于鍛造組件則不會(huì)。Zhang等人也證明，在800◦C同樣的高條件下可以導(dǎo)致δ相的形核和生長[188]。δ相生長的活化能為(131±0.69)kJmol−1。另一項(xiàng)研究也設(shè)計(jì)了兩步ST和兩步時(shí)效處理，有利于δ相在晶界的析出[189]。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，即LPBF工藝的高溫條件需要重新評(píng)估，并與傳統(tǒng)制造方法的高溫條件區(qū)分開來。

圖39。激光粉末床熔合和變形Inconel 625組件中δ相形成的時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)換圖。紅點(diǎn)表示行業(yè)推薦的消除應(yīng)力的熱處理?xiàng)l件[187]。結(jié)果表明，激光粉末層熔化過程中δ相的形成速度比變形過程快得多。應(yīng)力消除熱處理(紅點(diǎn))可以促進(jìn)激光粉末層熔化過程中δ相的形成，但對(duì)變形等量物沒有促進(jìn)作用。

Laves相是另一種常見的不利于鎳基高溫合金力學(xué)性能的析出相。事實(shí)上，Laves相的成分主要是從兩個(gè)主要強(qiáng)化相(即γ”和δ)中減去了Nb。Pr¨obstle等人解釋說，與其他研究一致，AB LPBF IN718的TEM上只可見Laves相(圖40)，這是因?yàn)榭焖俚募訜岷屠鋮s循環(huán)抑制了其他二次相的析出[190]。因此，需要高溫來溶解這些物質(zhì)，并形成更多的變形狀微觀組織。

圖40。透射電子顯微鏡圖像顯示了激光粉末床rr鉻鎳鐵合金718中的laves相[190]。(一)明視野。(b)暗視野。由于快速的加熱和冷卻循環(huán)，激光粉末床聚變過程中只出現(xiàn)了Laves相，抑制了其他二次相的析出

每個(gè)樣品的TEM顯微圖和衍射圖如圖41所示。在溶液處理的樣品中(圖41a)，相關(guān)的衍射圖(圖41b)表明不存在二次相。這意味著在AB試樣中常見的Laves相(圖40)在溶液處理過程中完全溶解。在HIP試樣中，由于高溫和變形，發(fā)生了強(qiáng)烈的再結(jié)晶(圖41c和d)，溶解了構(gòu)建后存在的所有子結(jié)構(gòu)。至于先前的情況，從衍射圖中沒有發(fā)現(xiàn)二次相，表明在熱等靜壓過程中二次相完全溶解。如前所述，固溶處理和老化相結(jié)合是IN718最常用的高溫治療策略之一。該策略的TEM顯微圖和衍射圖(圖41e和f)顯示了尺寸為30 nm的γ”粒子的存在。同樣，對(duì)于熱等靜壓+時(shí)效處理的樣品，在衍射圖中觀察到γ”相的反射(圖41i)。TEM顯微圖(圖41g和h)顯示，針狀δ顆粒在晶界處少量析出。這些觀察結(jié)果與Kuo等人的研究結(jié)果相似[92]。然而，在這種情況下，針狀δ析出物也被發(fā)現(xiàn)降低了試樣的強(qiáng)度。這些結(jié)果證實(shí)了δ顆粒的析出減少了周圍區(qū)域γ”的存在量(圖41h)。

圖41。激光粉末床熔接試樣的透射電鏡圖像和衍射圖[172]。(a)， (b)溶液處理。(c)， (d)熱等靜壓。(e)、(f)經(jīng)處理和老化的溶液。(g) - (i)熱等靜壓老化。經(jīng)固溶處理后的衍射表明，Laves相的溶解通常以原有狀態(tài)存在。熱等靜壓后，晶粒再結(jié)晶，二次相溶解。固溶和時(shí)效處理后，透射電子顯微鏡圖像和衍射圖顯示了二次相的存在，如γ”。這表明，固溶處理和老化處理能夠析出次生相。

盡管普遍認(rèn)為Laves相不利于鎳基PBF的力學(xué)性能，需要溶解，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，Laves相的尺寸、形貌和分布有利于PBF鎳基高溫合金的力學(xué)性能[191 - 193]。例如，Sui等人通過高溫溶解了Laves相的尖角和凹槽，使其由長條形變?yōu)榱�狀[191]。然后他們?cè)诹硪豁?xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，粒狀Laves相比長條Laves相更有利于PBFIN718的塑性變形，并且一定數(shù)量的Laves相是試樣強(qiáng)度和延性的最佳匹配[192]。同樣，Xiao等人發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的離散Laves相改善了LPBF IN718的拉伸性能，甚至優(yōu)于變形的IN718，并具有良好的伸長率，而長鏈狀Laves相則具有更脆的性質(zhì)和次優(yōu)性能[193]。

總的來說，一個(gè)優(yōu)化的熱處理工藝可以控制沉淀相的尺寸、形狀和分布，以滿足所需的機(jī)械性能。應(yīng)該進(jìn)行更多的工作來探討這方面的問題。

3.3.1.3. 殘余應(yīng)力。Tucho等人證明了建筑過程中的熱循環(huán)會(huì)在材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力(這是能量束沉積過程中常見的現(xiàn)象)，產(chǎn)生塑性變形和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)(圖42a)[185]。然而，由于這些是由內(nèi)應(yīng)力引起的，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)可以使用適當(dāng)?shù)腍T去除，如圖42b所示。

圖42。激光粉末床熔接IN718試樣中的亮場TEM圖像[185]。(a)構(gòu)建常態(tài)。(b)熱處理。這揭示了Laves相的存在

總的來說，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚�，有可能獲得與鑄態(tài)鎳基高溫合金類似的組織，就像LPBF高強(qiáng)度合金VZhL21經(jīng)過逐步的后處理[194]和哈氏合金X經(jīng)過固溶退火[181]后一樣。然而，延性傾向開裂和應(yīng)變時(shí)效開裂機(jī)制的結(jié)合被認(rèn)為是LPBF CM247LC在構(gòu)建后熱處理后開裂的主要原因[195]。這表明，為了獲得無缺陷的LPBF材料，熱處理過程仍然需要優(yōu)化。

3.3.2. 加工后PBF表面完整性

在PBF之后，通常需要加工來獲得所需的幾何形狀。鑒于材料的不均勻性和復(fù)雜的幾何形狀，增材制造組件提出了新的加工挑戰(zhàn)�？紤]到零件之間的隱性變化，傳統(tǒng)的鑄造數(shù)據(jù)獲取挑戰(zhàn)是顯而易見的。然而，考慮到當(dāng)前類PBF系統(tǒng)的局限性，增材制造組件的附加價(jià)值很可能會(huì)通過加工過程獲得。

加工過程會(huì)影響材料的微觀組織和表面質(zhì)量，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如前所述，PBF材料具有不同于常規(guī)鑄造或變形鎳基高溫合金的顯微組織、表面粗糙度和殘余應(yīng)力。Ezugwu等人對(duì)常規(guī)制造的鎳基高溫合金的可加工性進(jìn)行了綜述，并討論了鎳基合金的加工問題和刀具磨損失效的原因[196]。因此，加工的影響將是不同的，重要的是要了解他們的影響，以控制零件的質(zhì)量。有研究比較了不同的后處理技術(shù)，即槍管精加工、超聲噴丸、超聲沖擊處理和噴丸的效果及其對(duì)表面粗糙度、硬度和殘余孔隙率的影響[197]。超聲沖擊處理對(duì)表面粗糙度(降低57.4%)和殘余孔隙率(降低84%)的效果最好，而噴丸處理對(duì)硬度的改善效果最好(提高66.5%)[197]。噴丸處理還細(xì)化了EBM IN718的亞表面晶粒，改善了表面織構(gòu)和氧化性能[198]。另一項(xiàng)研究也表明，噴丸和超聲沖擊處理可以改善HIP LPBF IN718的表面織構(gòu)參數(shù)和殘余應(yīng)力[199]。此外，Kuner等人還發(fā)現(xiàn)，與未拋光的樣品相比，拋光AB EBM哈氏合金會(huì)導(dǎo)致更慢的氧化動(dòng)力學(xué)[200]，Karthick等人觀察到，與其他樣品相比，使用磨削后進(jìn)行低塑性拋光的樣品具有更好的表面光返度、降低孔隙率和提高殘余壓應(yīng)力[201]。

此外，研究了采用無水電解質(zhì)溶液進(jìn)行電解拋光表面處理，以改善LPBF IN718的表面質(zhì)量[202]。結(jié)果清楚地表明了在增材制造金屬零件拋光中引入高度調(diào)節(jié)的電解液流動(dòng)的潛在好處[202]。研究了LPBF哈氏合金X微觀組織對(duì)機(jī)電溶解特性的影響，結(jié)果表明，與變形相比，LPBF的晶粒更細(xì)、亞晶界和位錯(cuò)更密集，有助于形成更穩(wěn)定、更厚的鈍化膜[203]。

研究表明，鎳基高溫合金的PBF組織對(duì)加工過程也有影響。例如，在構(gòu)建方向和加工策略之間存在特殊的相互作用[204]。研究表明，切割方向與構(gòu)建方向和掃描策略方向的相對(duì)取向影響LPBF IN625的表面形貌和完整性[205]。事實(shí)上，Patel等人表明，在測(cè)試的方向中，在構(gòu)建方向進(jìn)給量加工產(chǎn)生的切削力最大(如圖43所示)[205]。類似地，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，沿造模方向進(jìn)刀可以產(chǎn)生較小的峰值力和較大的偏差，而沿造模方向進(jìn)刀可以產(chǎn)生較大的峰值力和較小的偏差[206]。

圖43。這說明了PBF構(gòu)建方向?qū)�后續(xù)加工的影響。當(dāng)進(jìn)給方向與成形方向平行時(shí)產(chǎn)生最大的切削力，導(dǎo)致加工面的各向異性。

此外，經(jīng)高靜壓和高溫處理的LPBF IN718在銑削過程中比變形IN718具有更好的最小比切削能、最小的刀具磨損和最小的表面粗糙度[207]。研究發(fā)現(xiàn)，銑削力峰值取決于進(jìn)給方向以及在制造LPBF IN625中采用的分層掃描旋轉(zhuǎn)[206]。因此，這些研究表明，在類似于“為制造而設(shè)計(jì)”的主題中，需要考慮為后處理選擇PBF構(gòu)建參數(shù)的必要性[204]。

目前還沒有研究EBM微結(jié)構(gòu)對(duì)加工參數(shù)的影響，反之亦然。因此，這個(gè)地區(qū)應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展。另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域是混合機(jī)械的使用，在相同的過程中制造和加工零件[208,209]。例如，采用LPBF和激光沖擊強(qiáng)化相結(jié)合的新型混合方法，可使CM247LC裂紋減少95%[102]。因此，需要對(duì)混合機(jī)械進(jìn)行更多的研究，因?yàn)樗鼈冇锌赡苓M(jìn)一步控制PBF材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

3.4. PBF中鎳基高溫合金的建模

數(shù)值模擬是理解PBF過程的基本機(jī)理和預(yù)測(cè)可能結(jié)果的有效工具。邱等[210]對(duì)低pbf鎳基高溫合金模擬的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。其他研究也提出了PBF的多尺度建模[211]，增材制造建模的分類[212]，金屬增材制造材料的微觀結(jié)構(gòu)建模[213]，金屬粉末的多物理連續(xù)建模方法[214,215]。典型的增材制造微觀結(jié)構(gòu)模型包括:熱模型、相場模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。這些模型可以單獨(dú)使用，也可以與其他模型結(jié)合使用來模擬PBF過程和微觀結(jié)構(gòu)。

熱模型可以確定增材制造過程中材料的溫度，并計(jì)算流體流動(dòng)和孔隙率。這些模型是增材制造建模中最常用的一些。Zhang等人使用COMSOL Multiphysics™5.0軟件模擬了LPBF IN718熔體池邊緣的溫度梯度和冷卻速率[216]。Kirka等人也進(jìn)行了類似的研究，模擬了激光軌跡在固化材料上的熱分布[96]。結(jié)果表明，當(dāng)加工新一層時(shí)，最多可在其下五層進(jìn)行重熔。這可以從最后一個(gè)重熔區(qū)發(fā)現(xiàn)的樹枝狀組織的細(xì)化和熱影響區(qū)的均勻化過程中觀察到。Xia等人也研究了采用LPBF制備IN718+WC的熔池溫度分布[65]。

這有助于解釋Ni2W4C初生枝晶和(Nb,M)C碳化物的形成機(jī)理。采用考慮熱傳導(dǎo)和再發(fā)光的有限元方法模擬EBM IN718單珠實(shí)驗(yàn)溫度分布的時(shí)間演化[217]。構(gòu)建的微觀結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相反，主要由等軸晶和混合晶組成[217]。

相場模擬可以在同一模型中模擬固體和液體物質(zhì)相，并用于觀察微觀組織的演變(如晶粒粗化和枝晶生長)。Pinomaa等人利用該方法模擬了凝固動(dòng)力學(xué)，包括晶粒形態(tài)、溶質(zhì)分布和亞穩(wěn)相的形成等微觀組織特征的發(fā)展，能夠準(zhǔn)確地模擬LPBF鎳基高溫合金的溫度分布、歷史、熱梯度和冷卻速率[218]。

正如Wei等人綜述的那樣，傳輸現(xiàn)象模型也被用于研究增材制造合金的凝固、殘余應(yīng)力、變形、缺陷形成以及組織和性能的演變[219]。Huynh等人[220]模擬了新型試件中的應(yīng)力分布，以證明可以通過定制的幾何形狀獲得預(yù)期的結(jié)果。

這些不同的模型也可以用來理解和預(yù)測(cè)PBF工藝參數(shù)對(duì)材料微觀組織或力學(xué)性能的影響。例如，Raghavan等人試圖創(chuàng)建一個(gè)模擬來預(yù)測(cè)各種EBM加工參數(shù)對(duì)某些IN718試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響[221]。如預(yù)期的那樣，熔池凝固過程中產(chǎn)生的熱梯度和固液界面速度都會(huì)影響最終的晶粒形貌(圖44)。然后模擬不同的工藝參數(shù)，如預(yù)熱溫度、光斑開啟時(shí)間、光斑直徑和光斑電流(圖45)，分析它們對(duì)產(chǎn)生的形貌的影響。

圖44。熔池凝固過程中產(chǎn)生的熱梯度和固液界面速度[221]。(a)溫度梯度(G)/液固界面速度(R)與凝固時(shí)間的關(guān)系(b)凝固路徑示例。這表明，熔池凝固過程中產(chǎn)生的熱梯度和固液界面速度都影響著最終的晶粒形貌。

圖45�？刂迫鄢販囟忍荻�(G)和液固界面速度(R)的工藝參數(shù)對(duì)晶粒形貌的影響[221]。(一)預(yù)熱溫度。(b)準(zhǔn)時(shí)。(c)光束直徑。(d)點(diǎn)束電流。所有這些參數(shù)都會(huì)影響熔池的最終形態(tài)。

還有一些研究使用模型來確定某些鎳基高溫合金的PBF可制造性，如Yang等人，通過建立基于柱狀到等軸轉(zhuǎn)變的有限元模型，計(jì)算多道試樣的凝固條件(溫度場、熱梯度和凝固速度)，確定了LPBF鎳基SX高溫合金制造的可行性[222]。

利用模型優(yōu)化PBF參數(shù)也在研究中。針對(duì)包括鎳基高溫合金在內(nèi)的多種金屬材料，提出了一種通用的簡化模型，利用LPBF過程中的能量吸收和消耗關(guān)系來預(yù)測(cè)適合于LPBF的能量密度[223]。結(jié)果證實(shí)，該模型可以預(yù)測(cè)加工材料所需的合適激光能量密度，無需繁瑣的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)[223]�；�于模擬的熔池深度和熔池寬度，提出了LPBF GH3536合金全過程能量預(yù)測(cè)圖，作為工藝參數(shù)選擇的方法[224]。Yan等人還表明，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多尺度和多物理模型可用于推導(dǎo)增材制造的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并優(yōu)化工藝參數(shù)[225]。

最后，其他研究人員專注于PBF過程的其他方面的模擬:粉末床熔化[226-234]、熔體池流體動(dòng)力學(xué)[235,236]、相變[237]以及微觀熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制[235,236,238,239]。通過模擬PBF形成過程中的微觀組織發(fā)展，可以為最后部分枝晶和析出相的形貌和分布提供有用的見解[240-242]。對(duì)殘余應(yīng)力的模擬也產(chǎn)生了一些值得注意的結(jié)果[243-246]，但它顯然也是一個(gè)發(fā)展迅速的領(lǐng)域。

作者還想強(qiáng)調(diào)當(dāng)前建模時(shí)間和有效過程速度之間的能力鴻溝。因此，在建立計(jì)算效率足夠高的模型方面仍有重大挑戰(zhàn)需要克服，以便能夠部署”即時(shí)”模型和控制架構(gòu)。

參考閱讀

Sanchez S , Smith P , Xu Z ,et al. PowderBed Fusion of nickel-based superalloys: A review[J]. International Journal ofMachine Tools and Manufacture, 2021(5):103729.