綜述：SLM制造熱作工具鋼，特別相關(guān)的影響因素（1）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：作為一種常見含碳熱作工具鋼的代表，AISI H13鋼是本文研究的重點(diǎn)。系統(tǒng)地研究了激光粉末床熔融(L-PBF)加工AISI H13的大部分相關(guān)細(xì)節(jié)。重點(diǎn)分別是工藝參數(shù)開發(fā)和材料評(píng)估的三個(gè)常見階段:一般可加工性、工藝改進(jìn)和工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的推斷，即理解相關(guān)基本機(jī)制的相互作用。一方面，通過L-PBF的AISI H13處理的程序被優(yōu)化用于工業(yè)應(yīng)用。這種優(yōu)化包括激光參數(shù)、熱處理以及與所用機(jī)器和粉末相關(guān)的工藝靈敏度。另一方面，正在研究AISI H13粉末的團(tuán)簇狀熔池微觀結(jié)構(gòu)和L-PBF加工過程中各種缺陷的形成。最重要的是，基于臨界溫度狀態(tài)和與馬氏體轉(zhuǎn)變相關(guān)的殘余應(yīng)力開裂的凝固開裂的理解對(duì)于L-PBF工藝的穩(wěn)健工藝和材料開發(fā)是必不可少的。本文為第一部分。


1.發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.增材制造技術(shù)

近幾十年來，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如幾何設(shè)計(jì)的自由度和過程的簡化，因此受到了越來越多的關(guān)注。根據(jù)ISO/ASTM 52900，增材制造被定義為“連接材料以根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)制造零件的過程，通常是一層接一層，與減成制造、實(shí)體自由成形制造和自由成形制造相反�！蓖ǔ�，根據(jù)幾種不同類型的原料和粘合機(jī)理，增材制造可分為七類，即光致聚合(液體)、材料噴射(液體)、材料擠出(液體)、片材層壓(固體)、粉末床熔融(粉末)、直接能量沉積(粉末/線)和粘合劑噴射(粉末)。所有技術(shù)都有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且已經(jīng)在工業(yè)中的不同應(yīng)用中使用。

在這篇綜述論文中，重點(diǎn)將是粉末床聚變(PBF)，更準(zhǔn)確地說是激光粉末床聚變(PBF)。PBF是一種增材制造工藝，其中通過激光或電子源引入熱能來選擇性熔化粉末床。PBF的原理基于逐層制造。一般來說，該方法可以分為兩個(gè)交替的加工步驟:第一步是涂覆，其中將基板降低一層，并且使用涂布機(jī)將粉末鋪展在基板上以獲得平坦的粉末層。第二步是曝光，激光根據(jù)切片的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件掃描粉末層，最終熔化粉末，最終形成固體零件。由于極高的幾何設(shè)計(jì)自由度和成品零件的高強(qiáng)度-良好韌性的平衡組合，PBF技術(shù)廣泛用于由粉末生產(chǎn)金屬或聚合物零件。

1.2.金屬的PBF

圖1.PBF技術(shù)原理。a)PBF工廠的示意圖；b)激光和粉末之間的相互作用。下圖為可能的機(jī)理

L-PBF工藝，也稱為直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光金屬熔合(LMF)、直接金屬印刷(DMP)、選擇性激光熔化(SLM)和激光束熔化(LBM)，這些術(shù)語大多是各自機(jī)器供應(yīng)商的商標(biāo)，在產(chǎn)品特性需要與傳統(tǒng)制造工藝相似的情況下，強(qiáng)烈推薦使用。圖1顯示了詳細(xì)說明L-PBF過程以及激光和粉末之間相互作用的示意圖。在L-PBF技術(shù)的情況下，多種因素會(huì)影響制造的零件，如圖2所示。

圖2.L-PBF過程的主要影響因素。

這些因素可分為兩大類，即材料相關(guān)參數(shù)和材料無關(guān)參數(shù)。粉末質(zhì)量、激光設(shè)置(能量輸入)、機(jī)器設(shè)置(預(yù)熱)和后處理(熱處理)是第一組的一部分，而其余因素屬于后者。

根據(jù)領(lǐng)先的PBF機(jī)器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表，可以制造各種類型的金屬基材料，包括鋁基、鎳基、鐵基、鈦基、鈷基、銅基合金，甚至鎢基。在這些材料中，特別是Al基、Ni基、Ti基和Fe基材料，由于其一般的可加工性而成為科學(xué)研究的常見研究對(duì)象。然而，到目前為止，缺乏關(guān)于熱加工工具鋼制造的部件的加工性的影響因素和共同挑戰(zhàn)的研究報(bào)告。為了對(duì)這些非常特殊的鋼材領(lǐng)域的當(dāng)前技術(shù)水平進(jìn)行全面的回顧，并進(jìn)一步豐富作者小組最近獲得的結(jié)果，本文提供了對(duì)最相關(guān)的影響因素的全面綜述報(bào)告，重點(diǎn)是由L-PBF加工的AISI H13，以下僅稱為H13。

圖3.經(jīng)L-PBF處理后具有相應(yīng)機(jī)械性能的各種類型的鋼。

圖3顯示了PBF制造的不同鋼材的總伸長率與強(qiáng)度之間的關(guān)系。不同的鋼根據(jù)它們的應(yīng)用進(jìn)行分類:1)直接用作輕質(zhì)部件，即奧氏體不銹鋼，例如316 L，沉淀硬化不銹鋼，例如17-4PH和表面硬化鋼，例如20 MnCr5。2)用作具有集成冷卻通道的工具或模具，即，碳工具鋼，例如H13 M2和馬氏體時(shí)效鋼，例如CX 18Ni-300。3)用作功能部件，即，因瓦鋼，例如FeNi36和氧化物彌散強(qiáng)化鋼。

1.3.增材制造加工的碳素工具鋼

近年來，對(duì)L-PBF生產(chǎn)的不同工具鋼進(jìn)行了研究。例如，由L-PBF加工的馬氏體時(shí)效鋼18Ni-300 (1.2709)已經(jīng)在多種應(yīng)用中使用，并且例如由Bajaj等人進(jìn)行了廣泛的研究。18Ni-300的典型機(jī)械性能的特征是在時(shí)效硬化后的單軸拉伸試驗(yàn)中具有高強(qiáng)度，然而，斷裂伸長率小于2%。時(shí)效硬化后可形成回復(fù)奧氏體，并觀察到Ti和Mo在晶界上的偏析。原子探針斷層掃描研究揭示了時(shí)效硬化后二次沉淀Ni3(Ti，Al)和Fe7Mo6的形成。這些特征導(dǎo)致延展性惡化。盡管具有強(qiáng)大的可加工性，但18Ni-300在工業(yè)中的應(yīng)用仍然很少。

在幾項(xiàng)研究中，已經(jīng)使用L-PBF工藝對(duì)碳素工具鋼進(jìn)行了研究。碳含量在0.3%至2.5%范圍內(nèi)時(shí)，裂紋的形成高度依賴于所使用的預(yù)熱溫度，因此，預(yù)熱溫度是使用L-PBF穩(wěn)定生產(chǎn)無裂紋碳工具鋼的重要參數(shù)。迄今為止，不同的調(diào)幅技術(shù)被用于加工H13鋼。科爾米耶等人報(bào)道了通過電子束粉末床熔融制造H13(E-PBF)。在竣工狀態(tài)下，硬度為洛氏硬度C(HRC)48–50。然而，由于超過800℃的高預(yù)熱溫度，最終導(dǎo)致粉末床的預(yù)燒結(jié)，例如殘留在集成冷卻通道中的粉末難以去除，限制了其在某些應(yīng)用方面的適用性，例如用于壓鑄。Ge等人使用激光金屬沉積(LMD)技術(shù)建造了相對(duì)密度較高的無裂紋H13砌塊。然而，由于缺陷的存在，報(bào)道了不均勻的硬度分布和差的機(jī)械性能。Bailey等人應(yīng)用了一個(gè)數(shù)值模型來評(píng)估LMD加工的H13。他們報(bào)道了由馬氏體轉(zhuǎn)變引起的高壓縮應(yīng)力和由不明確的熱影響區(qū)引起的不均勻性質(zhì)。除了已經(jīng)提到的挑戰(zhàn)之外，大約1mm的寬包覆軌道通常會(huì)降低最終幾何形狀的精度。此外，例如關(guān)于內(nèi)部冷卻通道的制造，支撐粉末床的缺乏限制了設(shè)計(jì)的自由度。

與E-PBF和LMD相比，L-PBF提供了不太苛刻的預(yù)熱環(huán)境和較高的設(shè)計(jì)自由度。由于后一個(gè)方面是所有工業(yè)領(lǐng)域中增材制造的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一，因此本綜述僅關(guān)注使用L-PBF生產(chǎn)H13的最重要的影響因素，如下四個(gè)分章節(jié)所述。然而，基于對(duì)建立的關(guān)系的關(guān)鍵評(píng)估，提出的大多數(shù)發(fā)現(xiàn)和得出的結(jié)論可以轉(zhuǎn)移到大體相似的增材制造過程。

1.3.1.微觀結(jié)構(gòu)

Theisen及其同事研究了L-PBF工藝，重點(diǎn)是H13工具鋼�；�于掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的細(xì)胞顆粒和基于使用沙伊爾-格利佛模型的熱力學(xué)計(jì)算，他們得出了重要的發(fā)現(xiàn)。圖4中的示意圖顯示了他們工作中提出的制造過程中的固化過程。當(dāng)凝固開始時(shí)，δ–Fe在液相中開始成核。之后，由于元素在剩余液相中的富集，晶粒發(fā)展促進(jìn)了液相和固相之間的元素分離。最終，從液相到γ-Fe的直接轉(zhuǎn)變開始。根據(jù)冷卻速度，δ-Fe相在快速冷卻條件下直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe，或者在最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe之前首先轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe。

1.3.2.參數(shù)優(yōu)化和密度

其中p是激光功率(單位:w)、v掃描速度(單位:mms-1)、h陰影間距(單位:mm)和t層厚度(單位:mm)，可以計(jì)算體積能量密度(VED)。前三個(gè)參數(shù)，即P、v和h，最受關(guān)注。優(yōu)化參數(shù)的兩種主要方法通常用于參數(shù)研究。Fonseca等人研究了在沒有預(yù)熱的情況下用五種不同水平的激光功率和三種水平的掃描速度制造的立方體樣品。樣品顯示出高于98%的相對(duì)密度，然而，樣品中出現(xiàn)線性裂紋。在Laakso等人的工作中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)(DoE),制造了50個(gè)樣品來研究適當(dāng)?shù)膮��?shù)區(qū)域(激光功率:100-300W，掃描速度:400-1200mms-1，開口距離:90-150微米)。根據(jù)等高線圖，確定了最終參數(shù)(VED=84 J mm-3)，測(cè)得孔隙率僅為0.09%。

1.3.3.機(jī)械性能

MeRTens等人在室溫200和400℃的條件下制造H13。調(diào)查顯示，所有樣品的屈服應(yīng)力較低，總伸長率較小，在室溫和200條件下制造的樣品中γ相的體積分?jǐn)?shù)較高。李等人展示了了類似的機(jī)械性能，其特征是拉伸試驗(yàn)中的低屈服應(yīng)力和低斷裂伸長率。

1.3.4.后處理

通常需要對(duì)完工部件進(jìn)行后處理，以優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)并提高機(jī)械性能。奧斯伯格等人對(duì)H13樣品進(jìn)行了不同的后處理，包括消除應(yīng)力、熱等靜壓(HIP)、退火和回火。熱等靜壓處理降低了孔隙率，改善了延展性。

圖4.顯示由L-PBF制造的H13的假設(shè)微觀結(jié)構(gòu)演變的模型。剖面圖顯示了指定部分的元素濃度。下圖，AM時(shí)鋼的典型組織

2.研究方案和相應(yīng)的討論

對(duì)L-PBF生成的H13進(jìn)行系統(tǒng)研究的結(jié)果詳述如下。為了得出可靠的結(jié)論，所有步驟都在作者的實(shí)驗(yàn)室中完成。一般來說，綜述論文可以收集和評(píng)估文獻(xiàn)中已有的數(shù)據(jù)。鑒于上述考慮因素，即迄今為止報(bào)告工具鋼L-PBF的文獻(xiàn)中可用的研究數(shù)量相對(duì)較少，更重要的是，已公布數(shù)據(jù)的可比性相對(duì)有限(根據(jù)圖2中描述的大量影響因素進(jìn)行了合理化，并非所有影響因素都在各自的研究中進(jìn)行了詳細(xì)說明),本綜述文件的其余部分主要關(guān)注作者闡述的數(shù)據(jù)。只有這樣，熱作工具鋼L-PBF的最相關(guān)的影響因素才能得到闡述和討論。

對(duì)所考慮的所有步驟的綜合描述、相關(guān)思想和邊界條件以及根據(jù)增材制造領(lǐng)域的最新發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)論是當(dāng)前工作的關(guān)鍵方面。進(jìn)行材料和工藝參數(shù)開發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)想的批量生產(chǎn)的穩(wěn)健可移植性。所考慮的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃包含三個(gè)階段。1)參數(shù)優(yōu)化:探索合適的預(yù)熱溫度和激光參數(shù)，以達(dá)到無裂紋狀態(tài)，滿足質(zhì)量要求。此外，通過使用DoE對(duì)激光參數(shù)設(shè)置(激光功率、掃描速度和影線距離)進(jìn)行細(xì)化。2)再現(xiàn)性:除了制造的可行性，再現(xiàn)性和可靠性對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)也是至關(guān)重要的。因此，增材制造后熱處理、機(jī)器條件和不同粉末的影響對(duì)于確保制造H13零件的穩(wěn)定質(zhì)量至關(guān)重要。3)評(píng)估:加工工具鋼時(shí)必須考慮的可加工性的一般影響因素:將H13的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到其他工具鋼，以幫助對(duì)類似材料的研究。

2.1.參數(shù)最優(yōu)化

對(duì)于參數(shù)研究，使用SLM280HL 2.0機(jī)器，該機(jī)器配備有使用表3中規(guī)定的粉末的第二代氣體流動(dòng)單元。在L-PBF制造過程中，諸如重新涂覆參數(shù)(重新涂覆速度、最小層時(shí)間、重新涂覆模式)和氬氣參數(shù)(氧氣水平、氣流速度、壓差)等因素保持默認(rèn)設(shè)置。在這項(xiàng)工作中使用了邊長為250 mm的方形平臺(tái)(標(biāo)準(zhǔn)模塊)和直徑為90 mm的圓形平臺(tái)。

所用的粉末批次，以下簡稱H13-ref，如表3所示。該表提供了化學(xué)成分、物理性質(zhì)、尺寸分布和幾何信息。此外，粉末形態(tài)的顯微照片如圖5所示。

參數(shù)優(yōu)化旨在回答以下問題:H13工具鋼能否成功制造，且無裂紋等明顯缺陷？特別關(guān)注兩個(gè)方面，即預(yù)熱溫度和激光-粉末相互作用的影響。

2.1.1.預(yù)熱的影響

測(cè)試了七個(gè)預(yù)熱溫度水平，范圍從室溫到600℃，步長為每個(gè)樣品100℃，尺寸為10*7.5*17mm3。在制造過程中，激光參數(shù)保持不變，即激光功率為250 W，掃描速度為800 mms-1，影線距離為0.10mm，層厚為30μm。該參數(shù)設(shè)置基于SLM官方對(duì)18Ni-300粉末的設(shè)置。制造的樣品進(jìn)行金相制備，然后通過光學(xué)顯微鏡檢查以識(shí)別(宏觀)缺陷。此外，掃描電鏡和電子背散射衍射(EBSD)被用來獲得進(jìn)一步的信息，有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)和相分布。

圖5.H13-ref粉末的掃描電鏡表征:a)概述，b)顆粒外觀，c)微觀結(jié)構(gòu)

在不同溫度下制造的樣品的光學(xué)顯微照片顯示出垂直于構(gòu)建方向(BD)的裂紋。圖6顯示了預(yù)熱至室溫至600℃的樣品的代表性圖像。在室溫和100 ℃制造的樣品上可以發(fā)現(xiàn)水平裂紋，大部分從表面開始，而預(yù)熱到200-600℃的樣品沒有裂紋。

圖6.在不同溫度水平下處理的樣品的代表性光學(xué)顯微照片(BD垂直)。

圖7.由L-PBF制造的H13樣品的微觀結(jié)構(gòu)(虛線:熔池邊界)，在200℃預(yù)熱下處理的樣品的代表性顯微照片。a)顯示鱗片狀熔池結(jié)構(gòu)的SEM圖像；b) BSE圖像顯示單個(gè)熔池內(nèi)的柱狀晶粒。

除了開裂，預(yù)熱溫度也會(huì)影響最終的微觀結(jié)構(gòu)。在圖7中，顯示了兩個(gè)不同放大倍數(shù)的SEM圖像，揭示了預(yù)熱至200℃的樣品中以黃色虛線和柱狀晶粒突出的鱗片狀熔池結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在所有溫度范圍都可以看到。在每個(gè)單個(gè)熔體池中，相鄰晶粒的特征在于相似的取向、長/寬比和生長方向。具有相似取向的晶粒(以下稱為簇)穿過熔池邊界并繼續(xù)生長，沿著生長方向發(fā)生變化。正如背散射電子(BSE)成像所揭示的那樣(如圖7所示)，很明顯，嵌入?yún)^(qū)域顯示出鮮明的對(duì)比:這清楚地揭示了較重元素的局部富集。四種竣工條件(室溫、200、400和600℃預(yù)熱)的EBSD相特征如圖8所示。在對(duì)應(yīng)于圖7b所示區(qū)域的熔池內(nèi)，γ相(綠色)位于α相晶粒(紅色)的邊界，如圖8a所示。根據(jù)穿過兩個(gè)階段的沿著橙色線的錯(cuò)誤取向直方圖，45°的錯(cuò)誤取向角占優(yōu)勢(shì)。

圖8.H13樣品的EBSD結(jié)果，包括相圖和晶界的取向誤差。a)相分布(紅色:α相，綠色:γ相)和相界處的取向錯(cuò)誤；b)在四個(gè)預(yù)熱溫度水平(室溫、200、400和600℃)下的相分布(紅色:α相、綠色:γ相)、γ相的相分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸。(c)在四個(gè)預(yù)熱溫度水平的晶界取向差直方圖。

此外，當(dāng)γ相分?jǐn)?shù)隨著預(yù)熱溫度的升高而降低時(shí)，如圖8b所示，45°取向錯(cuò)誤的分?jǐn)?shù)顯著降低，如圖8c所示。因此，45°的取向差角可能主要與γ相和α相之間的取向差有關(guān)。圖8b中的表格顯示，當(dāng)預(yù)熱溫度從室溫升高到600 ℃時(shí)，γ相的分?jǐn)?shù)從14.0%降低到2.1%，而平均晶粒尺寸從2.0微米增加到4.1微米。

H13的平衡相圖如圖9a所示，其已經(jīng)由熱力學(xué)計(jì)算軟件OpenCalphad計(jì)算。可以推斷，在粉末熔化和隨后的冷卻之后，液相部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣南�，接著完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟�，最后轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗪吞蓟�物。然而，L-PBF過程中的快速冷卻速率(約為105-106k·s-1)導(dǎo)致凝固過程中明顯的過冷，最終阻礙或延遲相變。為了捕捉在如此高的冷卻速率下相變的真實(shí)情況，Yan等人使用Scheil–Gulliver模型和Thermocalc軟件計(jì)算了H13在L-PBF處理過程中的凝固圖(圖9b)。在凝固開始時(shí)，70%的熔體在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)(大約1480-1420℃)凝固成δ相。進(jìn)一步冷卻后，25%在較寬的溫度范圍內(nèi)(約1420-1160℃)凝固成γ相，最終形成碳化物和滲碳體。由L-PBF制造的H13的微觀結(jié)構(gòu)的特征在于在鱗片狀熔池結(jié)構(gòu)中形成的柱狀晶粒簇，如圖7所示。根據(jù)從反極圖(IPF)圖得到的取向聚類，具有相似取向的柱狀晶粒的邊界被識(shí)別并由疊加到圖10中的圖的黃色虛線標(biāo)記。這里，不管占主導(dǎo)地位的階段，集群內(nèi)的方向保持相同或相似。

圖9.通過熱力學(xué)計(jì)算闡述H13的平衡相圖；a)平衡相圖；b)根據(jù)沙伊爾模型的固化。

圖10 在單個(gè)熔融池內(nèi)獲得的IPF圖，其中簇用黃色虛線標(biāo)記。a)α相的IPF圖中的簇，以及b)γ相IPF圖中的團(tuán)簇。

圖11.激光焊接過程中取決于溫度梯度和生長速率的微結(jié)構(gòu)形成。

從圖7所示的SEM照片中可以推斷出，不同簇中的晶粒顯示出不同的形狀，尤其是在長/寬比方面。根據(jù)圖11，表明微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈依賴于激光焊接過程中的生長速率和溫度梯度，可以假設(shè)δ相的快速生長速率導(dǎo)致了狹窄的凝固區(qū)域，最終導(dǎo)致在簇中出現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如圖12所示，簇的不同形狀受到局部冷卻過程的強(qiáng)烈影響。在L-PBF工藝中，熔池的尺寸通常被認(rèn)為是大約100*100 μm2。熔池由新熔化的粉末和再熔化層組成。由于熔體池和固體部分的不同尺寸和溫度，顯著的溫度梯度以及高冷卻速率最終使得團(tuán)簇從熔體池的邊界生長。簇沿著由已經(jīng)固化的部件中的晶粒限定的結(jié)晶取向形成和生長，并且與熔池中和熔池邊界處的熱梯度一致，這些特征在圖12b中示出。如圖12c所示，當(dāng)其他團(tuán)簇生長并重疊時(shí)，這種依賴于取向和熱梯度的過程將最終停止。在團(tuán)簇內(nèi)，可以在枝晶結(jié)構(gòu)中觀察到邊界處的元素偏析。在這個(gè)過程中，可以涉及兩種不同類型的邊界:簇內(nèi)晶界，主要由低角度晶界(LAGBs)組成；簇間晶界，由高角度晶界(HAGBs)組成。根據(jù)邊界類型，分離很可能是不同的。與LAGB相比，更高程度的隔離主要發(fā)生在HAGB。在建造狀態(tài)下，晶界上的偏析形成富釩碳化物，如圖13所示。Fonseca等人基于掃描透射電子顯微鏡(STEM)研究和Lee等人基于原子探針斷層掃描(APT)研究已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

必須考慮晶界元素的富集，主要是作為奧氏體穩(wěn)定劑的碳，以使γ相的外觀合理化，如圖8和10b所示。如果預(yù)熱溫度升高，熔池中的冷卻速率降低，最終影響晶粒的生長速率，從而影響晶界上的偏析模式。這最終有助于降低竣工樣品中的奧氏體比例并增加晶粒尺寸，如圖8b所示。

圖12.詳細(xì)說明L-PBF處理過程中熔池凝固過程的示意圖。a)熔體池中凝固開始時(shí)的初始狀態(tài)，b)團(tuán)簇生長，c)團(tuán)簇內(nèi)的偏析和d)最終微觀結(jié)構(gòu)。

2.1.2.激光-粉末相互作用

激光相互作用試驗(yàn)研究激光參數(shù)對(duì)熔池外觀和最終控制機(jī)械性能的孔隙率的影響。主要討論了兩個(gè)參數(shù)，即激光功率和掃描速度。在這部分工作的制造過程中，沒有在層之間應(yīng)用圖案旋轉(zhuǎn)，預(yù)熱溫度為200℃。圖14顯示了熔池尺寸和孔隙率的測(cè)定方法和地點(diǎn)。對(duì)熔池的研究是在頂層進(jìn)行的，而孔隙度評(píng)估是在主要樣品體內(nèi)進(jìn)行的，即在主體內(nèi)。這里孔隙度定義為孔隙面積除以整個(gè)研究面積。

在這一點(diǎn)上，非常重要的是要注意，所有的測(cè)試都是使用相同的增材制造系統(tǒng)和相同批次的粉末(H13-ref)進(jìn)行的。所研究的激光功率范圍包括三個(gè)級(jí)別，即100、200和300 W，每個(gè)級(jí)別都有三種不同的掃描速度，即450、900和1350 mms-1。影線距離設(shè)置為0.1毫米，層厚度設(shè)置為30微米(散裝)。根據(jù)圖14所示的方法，所有樣品中的缺陷面積比和熔池尺寸分別如表4所示。通過高激光功率和低掃描速度的結(jié)合，或者換句話說，通過最大化能量輸入，孔隙度被最小化。在這種情況下，熔池的尺寸表現(xiàn)出最高值。熔池尺寸是研究激光參數(shù)影響的重要因素。根據(jù)表4中中所示的原始數(shù)據(jù)，作為激光功率和掃描速度的函數(shù)的寬度和深度的等高線圖使用統(tǒng)計(jì)回歸顯示在圖15中。顯然，激光功率的增加和掃描速度的降低導(dǎo)致熔池的寬度和深度更大。

圖13.沉積狀態(tài)下描述的晶界上的顯微偏析。

圖14.單激光跟蹤研究的樣品設(shè)計(jì)以及孔隙度測(cè)量和熔池尺寸分析的相應(yīng)方法。

為了將孔隙度與熔池的尺寸直接聯(lián)系起來，需要考慮一個(gè)簡化的熔池幾何模型，如圖16所示。假設(shè)熔池的幾何形狀如圖16a所示，由兩個(gè)半橢圓(頂部和底部)組成。如圖16b所示，考慮了兩條平行的激光軌跡。在這種假設(shè)的情況下，熔池總是以相同的幾何形狀為特征，并且位于相同的高度。因此，孔隙度主要與紅色箭頭突出顯示的熔池連接點(diǎn)有關(guān)。根據(jù)先前指定的熔池幾何形狀的假設(shè)，基于簡化的幾何模型推導(dǎo)出公式來計(jì)算孔隙率。

圖15.激光設(shè)置和熔池尺寸之間的關(guān)系(以微米為單位的寬度和深度)。a)寬度和b)深度，取決于掃描速度和激光功率。



圖16.孔隙度估算時(shí)考慮的熔池幾何參數(shù)；a)單個(gè)熔池和b)兩個(gè)熔池的重疊

來源：Hot Work Tool Steel Processed by Laser Powder Bed Fusion: A Review on Most Relevant Influencing Factors,Liang Wu,Suvajeet Das,Witalij Gridin,Stefan Leuders,Moritz Kahlert,Malte Vollmer,Thomas Niendorf,First published: 26 March 2021,https://doi.org/10.1002/adem.202100049

參考資料：Microstructural effects on the tensile and fracture behavior of selective laser melted H13 tool steel under varying conditions,Materials Characterization,Volume 155, September 2019, 109817,https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.109817