激光粉末床聚變：技術(shù)、材料、性能和缺陷以及數(shù)值模擬的最新綜述（2）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：這篇綜述主要解釋了LPBF工藝的基本原理、幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)參數(shù)的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)展、原料材料、生產(chǎn)性能/缺陷，以及數(shù)值模擬的見(jiàn)解，以虛擬地理解工藝行為。本文為第二部分。


3.材料
本節(jié)介紹了使用增材制造工藝加工功能材料以開(kāi)發(fā)工業(yè)產(chǎn)品的最新努力和進(jìn)展。

3.1.鈦基合金

鈦（Ti）合金因其高強(qiáng)度重量比、相容性和耐高溫性而廣泛應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)、汽車和航空航天工業(yè)。通常，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的材料應(yīng)滿足低楊氏模量、高強(qiáng)度、低密度、高耐磨性、高耐腐蝕性和高兼容性的基本要求。鈦合金具有上述優(yōu)異性能，證明是生物醫(yī)學(xué)工業(yè)的良好選擇。其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括牙科領(lǐng)域、關(guān)節(jié)置換、植入物、正畸部件、外科器械和人工心臟瓣膜。由于高時(shí)間、高能量和高材料要求，鈦合金的制造一直是一個(gè)難題。盡管如此，增材制造的出現(xiàn)，特別是LPBF，已經(jīng)導(dǎo)致更多的鈦零件制造。商業(yè)純（CP）Ti由于其優(yōu)異的機(jī)械特性而被Ti-6Al-4V替代作為矯形假體。其他鈦合金也被認(rèn)為是CP-Ti和Ti-6Al-4V的替代品，因?yàn)槠錈o(wú)毒性。Ti-13Nb-13Zr是通過(guò)將鈮（Nb）和鋯（Zr）合金化而開(kāi)發(fā)的，是一種性能優(yōu)異的合金。這種合金可以很容易地取代Ti-6Al-4V。鈮的存在抑制了α相的形成。許多研究已經(jīng)為Ti-13Nb-13Zr取代Ti-6Al-4V奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一些研究人員還檢查了LPBF晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能和多孔生物材料。

3.1.1 α-鈦基材料的LPBF

工藝參數(shù)的優(yōu)化極大地影響生產(chǎn)零件的機(jī)械性能、致密化和微觀結(jié)構(gòu)行為。Vracken等人指出，工藝參數(shù)最終影響LPBF工藝中的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展。通過(guò)LPBF制備的CP-Ti的微觀結(jié)構(gòu)行為從板狀α到針狀馬氏體α′相變化，完全由工藝參數(shù)控制（圖7）。已經(jīng)觀察到，掃描速度在區(qū)分微觀結(jié)構(gòu)方面起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)掃描速度低于100 mm/s時(shí)，對(duì)于120 J/mm3的能量密度，由于熔池內(nèi)的能量熱化，在凝固過(guò)程中發(fā)生β相到α相的完全轉(zhuǎn)變（圖7a）。但是，當(dāng)掃描速度大于100 mm/s時(shí)，對(duì)于相同的能量密度，由于熱過(guò)冷和動(dòng)態(tài)過(guò)冷的增加，會(huì)形成α′微觀結(jié)構(gòu)（圖7b）。Ti-6Al-4V產(chǎn)生的廣泛觀察到的LPBF顯微結(jié)構(gòu)是柱狀β晶粒中的α′馬氏體。這種微觀結(jié)構(gòu)的形成是由于工藝參數(shù)的選擇，這可能導(dǎo)致冷卻速度超過(guò)起始馬氏體溫度410 K/s，從而促進(jìn)α′馬氏體的生長(zhǎng)。

圖7 LPBF生產(chǎn)的CP-TI零件的微觀結(jié)構(gòu)。（a）α晶粒和（b）α′晶粒。

3.1.2.β型鈦基材料的LPBF

β-Ti合金的最佳例子之一是Ti-24Nb-4Zr-8Sn，通常稱為Ti2448，它具有高強(qiáng)度和低模量等優(yōu)異性能。該合金還需要優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)完全致密的零件。掃描速度的增加表明硬度和密度逐漸降低。因此，可以說(shuō)，顯微硬度和密度在很大程度上取決于加工參數(shù)。在圖8中可以觀察到兩組密度，幾乎密度（99.3%）和中等密度（98.2%）的LPBF，以兩種不同的掃描速度生產(chǎn)零件。圖中的暗帶只是激光軌跡。

圖8 LPBF在兩種不同掃描速度下生產(chǎn)的Ti2448的微觀結(jié)構(gòu)，相對(duì)密度為（a）99.3%和（b）98.2%。

3.1.3 （α+β）鈦基材料的LPBF

層狀（α+β）的微觀結(jié)構(gòu)有助于提高Ti-6Al-4V的延展性，而不會(huì)影響材料的屈服強(qiáng)度。通過(guò)改變能量密度并利用與層沉積相關(guān)的循環(huán)再加熱，可以將層狀（α+β）轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢漶R氏體。（α+β）Ti的LPBF研究主要在Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb上進(jìn)行。由于LPBF過(guò)程中溫度梯度較大，LPBF生產(chǎn)的Ti-6Al-4V零件的SEM微觀結(jié)構(gòu)顯示出細(xì)小的針狀馬氏體CP-Ti，需要優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得盡可能高的致密零件。Ti-6Al-7Nb是用于生物醫(yī)學(xué)植入物的另一種鈦基合金，與Ti-6Al-4V相比，具有更高的耐腐蝕性和更好的機(jī)械性能。LPBF生產(chǎn)的Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V具有相似的α′馬氏體顯微結(jié)構(gòu)。LPBF生產(chǎn)的Ti-6Al-7Nb零件顯示出比通過(guò)鑄造獲得的零件優(yōu)越的性能。鋁合金是SLM研究中最受歡迎的材料系統(tǒng)之一，因?yàn)樗鼈冇糜谠S多高價(jià)值應(yīng)用。然而，由于激光熔化鋁的問(wèn)題，加工它們很困難，導(dǎo)致零件出現(xiàn)各種缺陷。近年來(lái)，一些研究人員設(shè)計(jì)了解決這些問(wèn)題的技術(shù)，報(bào)告了各種鋁合金的有效SLM，并探索了其在先進(jìn)部件中的潛在應(yīng)用。


C系列試樣微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。穿過(guò)前β相柱狀晶粒的縱向截面（x-z平面）。箭頭表示構(gòu)建缺陷。

3.1.4 復(fù)合鈦材料的LPBF

對(duì)LPBF和鈦合金的研究主要局限于一些流行的合金。但為了提高耐磨性、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，在Ti中添加了SiC、TiC或TiB2等陶瓷。添加一溴化鈦（TiB）作為增強(qiáng)材料可提供化學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，如圖9所示。Ti和二溴化鈦（TiB2）之間的原位反應(yīng)導(dǎo)致Ti-TiB復(fù)合材料的生成。Attar等人通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和使用Ti-5wt%TiB2混合粉末，生產(chǎn)出了密度最高的Ti-TiB零件。觀察到針狀形貌分布在整個(gè)Ti基體上。

圖9 SLM生產(chǎn)的Ti-TiB復(fù)合材料在不同放大率下的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像：（a，b）橫截面圖和（c，d）縱向圖，顯示了Ti基體中的針狀TiB顆粒。白色箭頭表示TiB顆粒。

3.1.5 多孔鈦材料的LPBF

多孔鈦材料的主要目的是在生物醫(yī)學(xué)工業(yè)中復(fù)制天然骨。當(dāng)對(duì)多孔鈦材料進(jìn)行LPBF工作時(shí)，CP-Ti和Ti-6Al-4V是主要關(guān)注焦點(diǎn)。55-75%多孔鈦結(jié)構(gòu)由LPBF制成，類似于天然人骨，并通過(guò)壓縮試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。Attar等人通過(guò)LPBF成功制備了多孔Ti-TiB和CP-Ti材料，孔隙率分別為10%、17%和37%。這些材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度與人體骨骼非常接近，因此可以作為植入物的替代品。主要目的是利用LPBF開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度和生物相容性多孔鈦合金基植入物，促進(jìn)宿主體內(nèi)的骨整合。

3.2 鎂基合金

鎂（Mg）是地殼中第六大可用元素。鎂基合金優(yōu)選用于重量敏感應(yīng)用，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)重量輕，比其他Al或Ti元素輕。由于其輕量化和高強(qiáng)度特性，鎂受到了航空和汽車等不同行業(yè)的關(guān)注。鎂基合金還表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、可鑄造性和可加工性、高熱穩(wěn)定性以及高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。但鎂的問(wèn)題在于其低耐腐蝕性和其他負(fù)面特性，如低彈性模量、低強(qiáng)度和較差的抗蠕變性能。由于鎂的可成形性差、快速降解和析氫，鎂在臨床領(lǐng)域仍未得到充分應(yīng)用。因此，研究人員不斷開(kāi)發(fā)新的鎂合金和復(fù)合材料，以滿足特定的工作要求。其中一種鎂合金，即Mg-Zn，由于高強(qiáng)度和耐腐蝕性的綜合存在，是頂級(jí)合金。大多數(shù)Mg-Zn產(chǎn)品是通過(guò)永久鑄模鑄造、擠壓、軋制和壓制生產(chǎn)的。但由于αMg基體的封閉堆積六角結(jié)構(gòu)（HCP），其成形性相對(duì)較差。因此，這種合金的塑性加工必須在周圍的高溫下進(jìn)行，從而增加了制造成本。AM（主要是LPBF）的引入使得無(wú)需使用任何夾具模具即可快速生產(chǎn)具有高密度產(chǎn)品的此類合金。

（a，c）Mg和（b，d）Mg-Y在0.5b下的結(jié)構(gòu)和電荷密度分布。在電荷密度分布圖中，紅色表示電荷密度較高的區(qū)域；虛線表示滑動(dòng)面。對(duì)于Mg和Mg-Y，通過(guò)完全松弛優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算的電荷密度分布具有更多的電荷轉(zhuǎn)移到滑移面，這意味著更低的能量，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定位置。

3.2.1 鎂和鎂基合金的LPBF處理窗口

Ng等指出了在LPBF工藝中使用鎂粉末的可能性，因?yàn)樗鼈兂晒Φ卦诙栊詺夥罩型耆�熔化了鎂軌道�；�于激光源和Mg粉末在不同加工參數(shù)下的相互作用，建立了單軌Mg粉末的加工窗口。一些研究人員還試圖基于其制造單層和多層三維物體的可成形性建立鎂及其合金的加工窗口，如AZ91D、WE43、ZK60和Mg-9%Al。圖10顯示了鎂合金Mg-9%Al的加工窗口圖。激光參數(shù)，即激光能量密度，被視為影響區(qū)域和微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的單個(gè)參數(shù)，并比較單層和多層零件的加工條件。

圖10 根據(jù)掃描速度和激光功率的Mg-9%Al的加工窗口圖。

根據(jù)通過(guò)LPBF生產(chǎn)的零件的質(zhì)量，可以將Mg粉末及其合金在不同掃描速度和激光功率下的行為分為四個(gè)區(qū)域。下面對(duì)它們進(jìn)行解釋。

1.在該區(qū)域中，對(duì)于任何掃描速度范圍，能量密度和激光功率都太高。由于這種高溫，由于鎂的熔點(diǎn)較低，在熔池中存在鎂粉末的蒸發(fā)和電離。蒸發(fā)的粉末在熔池中膨脹并產(chǎn)生巨大的反沖效應(yīng)，從而吹走液體和粉末，導(dǎo)致沒(méi)有軌跡形成。

2.在該區(qū)域中，對(duì)于任何掃描速度范圍，能量密度和激光功率都太低。使用非常低的能量輸入和高的掃描速度不會(huì)給出導(dǎo)致Mg粉末部分熔化的適當(dāng)?shù)南嗷プ饔脮r(shí)間。低激光能量不足以產(chǎn)生液相，因此，顆粒之間存在較差的鍵合頸。在這種情況下，顆粒之間的融合導(dǎo)致零件沒(méi)有機(jī)械強(qiáng)度，表面上發(fā)現(xiàn)大量未熔化的碎片。當(dāng)熱量從熔池中心傳導(dǎo)到周圍粉末時(shí)，由于部分熔化而形成熱影響區(qū)（HAZ）。如果掃描速度更快，Mg粉末的低密度和化學(xué)特性將導(dǎo)致氧化和形成MgO，這將干擾工藝環(huán)境。

3.在該區(qū)域中，可以接受Mg粉末的大量熔化，具有相對(duì)更穩(wěn)定的熔池，并產(chǎn)生顆粒之間具有良好結(jié)合的軌道。該區(qū)域中的激光能量范圍非常有利于提高粉末床的溫度，同時(shí)降低熔體池的粘度，使得熔體可以均勻地散布在預(yù)處理層上以獲得更致密的部分。在低激光功率和高掃描速度下，大的低能量輸入導(dǎo)致顆粒表面熔化，導(dǎo)致顆粒之間的弱鍵。當(dāng)使用CP-Ti和Ti-TiB2成分進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，該區(qū)域的LPBF已證明生產(chǎn)出性能良好的零件。

4.這一點(diǎn)的特征在于出現(xiàn)球化區(qū)域。成球是球形熔融粉末的團(tuán)聚，形成大的熔池。這主要是由于低激光能量密度輸入，即低功率、高層厚度和高掃描速度。由于球化現(xiàn)象往往發(fā)生在該區(qū)域，因此可能會(huì)使所生產(chǎn)零件的表面劣化。

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，在不同弛豫時(shí)間下Mg的完美晶體（a）和穩(wěn)定層錯(cuò)位置（b）的結(jié)構(gòu)。

3.3 鋁基合金

鋁（Al）及其合金是除鋼和鐵之外用于任何結(jié)構(gòu)的主要材料，由于其高強(qiáng)度、低密度和良好的耐腐蝕性的優(yōu)異性能，它們適用于各種工業(yè)，如武器、電力電子、汽車和航空。傳統(tǒng)的制造方法，如擠壓、鑄造和鍛造，通常用于由鋁及其合金制造任何零件。盡管這些方法已被證明是鋁的有效制造方法，但仍存在許多與之相關(guān)的缺點(diǎn)。在鑄造過(guò)程中，由于低冷卻速率和許多缺陷（如氣孔、夾渣和偏移缺陷），會(huì)形成粗糙的微觀結(jié)構(gòu)。高性能鋁合金的分離生產(chǎn)線限制了制造工藝的靈活性。由于現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，鋁部件的性能要求處于最高水平。因此，需要結(jié)構(gòu)來(lái)滿足這些要求，并制造結(jié)構(gòu)以減少成本和時(shí)間。

LPBF通常被認(rèn)為在單次掃描中給出了完全密集部分的良好結(jié)果。但對(duì)于某些合金，如Al/Fe2O3粉末，有必要采用顆粒增強(qiáng)Al基體的原位形成，以克服諸如成球、doss形成和零件變形等缺陷，這些缺陷導(dǎo)致所生產(chǎn)零件的表面光潔度較差。原位反應(yīng)在很大程度上受Fe2O3濃度的影響，決定了合適的工藝參數(shù)范圍。此外，還確認(rèn)工藝參數(shù)對(duì)通過(guò)LPBF制造的合金（如AlSi10Mg）的微觀結(jié)構(gòu)、斷裂行為和高周疲勞有很大影響。在未來(lái)，具有不同設(shè)計(jì)、高精度和近凈形狀結(jié)構(gòu)的鋁合金制造方法將在制造業(yè)中引起極大興趣。鋁暴露于LPBF工藝已經(jīng)解決了許多與傳統(tǒng)制造工藝相關(guān)的問(wèn)題。Louvis等人指出，產(chǎn)生導(dǎo)致成球的不穩(wěn)定大熔池的原因是高激光功率和低掃描速度。這也增加了生產(chǎn)成本和時(shí)間�？梢酝ㄟ^(guò)使用低激光能量和高掃描速率來(lái)處理球化缺陷。對(duì)于鋁的LPBF，不可能消除氧化物的影響。因此，需要進(jìn)一步的研究工作來(lái)提出控制氧化物形成的解決方案。

3.3.1 鋁合金的LPBF處理窗口

通過(guò)在激光功率范圍為20W至240W、掃描速度為20mm/s至250mm/s、恒定陰影間距為0.1mm的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，繪制了鋁及其合金，特別是純鋁、鋁鎂和AlSi12的加工窗口圖。四個(gè)區(qū)域被確定為無(wú)標(biāo)記、部分標(biāo)記、良好固結(jié)和過(guò)度成球（圖11）。

圖11 在（A）空氣霧化純Al（B）氣體霧化純鋁（C）水霧化Al-5.6Mg（D）水霧化Al-6Mg（E）氣體霧化Al-12Si中制造的零件加工窗口圖。

圖12顯示了所研究的所有粉末的類似趨勢(shì)。不同區(qū)域之間的邊界略有不同。部分標(biāo)記區(qū)域主要包括強(qiáng)度非常低的零件。良好固結(jié)區(qū)域的樣品具有良好的粘結(jié)性和高強(qiáng)度。因此，良好的固結(jié)應(yīng)被視為通過(guò)LPBF制造多層零件的適當(dāng)區(qū)域。過(guò)度成球的區(qū)域伴隨著不需要的成球缺陷，導(dǎo)致大的熔池。形成此類區(qū)域的原因如下所述。

1，無(wú)標(biāo)記區(qū)域受激光和材料之間的短相互作用時(shí)間段和低能量密度的影響，這導(dǎo)致顆粒間粘合不良。在LPBF工藝期間，對(duì)于低激光功率，使用高掃描速度也可能導(dǎo)致接合不良。

圖12 鋁粉加工窗口圖，顯示了不同工藝參數(shù)下的不同微觀結(jié)構(gòu)。（1：無(wú)標(biāo)記；2：部分標(biāo)記；3：固結(jié)良好；4：過(guò)度成球）。

2，部分標(biāo)記區(qū)域的特征是制造有大量多孔缺陷的零件。這也是由于采用了低能量密度，這又是由于低激光功率和高掃描速度。處理參數(shù)的這種組合導(dǎo)致形成不充分的液相，最終導(dǎo)致顆粒間結(jié)合不良。

3，良好固結(jié)區(qū)域的特征是通過(guò)LPBF制造零件，具有相當(dāng)?shù)拿芏人�平，幾乎�?0%至80%。在該區(qū)域中采用的能量密度范圍導(dǎo)致粉末床溫度的升高和熔池粘度的降低，因此改善了制造部件的致密化。這一結(jié)果是由于采用了更高的能量密度，從而產(chǎn)生了足夠的液相，促進(jìn)了粉末完全熔化。

4，過(guò)度成球區(qū)域的特征是通過(guò)LPBF制造的零件具有完全致密的零件，但表面非常粗糙。這一結(jié)果是由于采用了高激光能量密度，即在低掃描速率下采用高激光功率。

3.3.2.硬金屬

由于對(duì)時(shí)間、能量和材料的高要求，硬金屬制造一直是困難的。SLM的出現(xiàn)使得制造這些材料更加方便。了解制造零件的致密化與工藝參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)于總結(jié)制造零件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能具有重要作用。在所有金屬中，Ti、Mg和Al由于其性能而被廣泛地考慮用于各種工業(yè)，如航空航天和生物醫(yī)學(xué)。在Ti的情況下，顯微結(jié)構(gòu)的這種差異可能是由于不同的激光參數(shù)，主要是激光掃描速度。在鎂的情況下，通過(guò)特定的激光能量輸入和冷卻速率來(lái)監(jiān)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)的演變。LPBF制備樣品的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度和顯微硬度等力學(xué)性能表明，LPBF可以制備出性能優(yōu)于使用傳統(tǒng)工藝（如鑄造）制備的樣品。還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在LPBF工藝下加工時(shí)，添加其他金屬以形成合金被證明更有效。

4.LPBF工藝參數(shù)

在任何制造過(guò)程中，工藝參數(shù)的影響在制造過(guò)程設(shè)置條件中起著重要作用。

4.1 LPBF工藝參數(shù)對(duì)致密化的影響

由于涉及許多工藝參數(shù)，LPBF被認(rèn)為是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝。必須在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的正確組合，以獲得完全致密的零件。與LPBF相關(guān)的一些關(guān)鍵參數(shù)可歸類為圖13所示。

圖13 工藝參數(shù)分類。

4.1.1 激光加工參數(shù)對(duì)致密化的影響

Zhang等人在Mg-9%al合金上進(jìn)行了一項(xiàng)此類實(shí)驗(yàn)。他們研究了激光能量密度對(duì)通過(guò)連續(xù)Nd:YAG激光器生產(chǎn)的零件密度的影響。他們記錄到激光能量密度從7.5增加到15 J/mm2，相對(duì)密度從74.5顯著提高到82%。在低激光能量密度情況下，主要由于高掃描速度，會(huì)發(fā)生部分熔化，導(dǎo)致氣孔和不連續(xù)軌跡的產(chǎn)生。當(dāng)激光能量密度增加時(shí)，觀察到粉末更好地熔化，導(dǎo)致氣孔消失和表面光潔度平滑。但是，如果激光能量密度進(jìn)一步增加到約20J/mm2，則密度降低。這是因?yàn)楸M管有足夠的能量產(chǎn)生液相，但低掃描速度會(huì)導(dǎo)致球化和熔池破裂。

當(dāng)激光能量不足以產(chǎn)生液相時(shí)，會(huì)形成小周長(zhǎng)比和不穩(wěn)定的小尺寸熔池。這種不穩(wěn)定的熔池最終到達(dá)縮頸階段并破裂成球，導(dǎo)致成球。在LPBF制造CP Ti和Ti-24N-4Zr-8Sn合金的情況下觀察到了一種典型的現(xiàn)象，這突出表明，如果粉末完全熔化，增加激光能量密度沒(méi)有進(jìn)一步的好處，因?yàn)榧す饽芰棵芏鹊娜魏卧黾佣紩?huì)導(dǎo)致球化、表面光潔度差和密度降低。在LPBF工藝中，許多研究工作強(qiáng)調(diào)，由于低激光功率和高掃描速度，低能量密度不能產(chǎn)生足夠的液相，使粉末粘結(jié)在一起，導(dǎo)致部分熔化導(dǎo)致致密化不良。但隨著激光功率在較低掃描速率下增加，激光能量密度顯著增加，這現(xiàn)在為產(chǎn)生液相以使粉末結(jié)合在一起提供了足夠的能量。當(dāng)工藝接近完全熔化時(shí)，這導(dǎo)致更高的致密化。因此，可以得出結(jié)論，通過(guò)適當(dāng)增加激光能量密度可以實(shí)現(xiàn)高溫。這增加了所生產(chǎn)零件的致密化。它降低了表面張力和粘度，有利于在熔池內(nèi)產(chǎn)生連接流和流動(dòng)。

在166.7 J/mm3的Ev下沉積的AZ91D樣品的光學(xué)顯微照片。（a）和（b）垂直截面，（c）橫截面，以及（d）掃描軌跡的細(xì)節(jié)，如（c）所示。

Wei等人致力于了解工藝參數(shù)對(duì)LPBF處理AZ91D合金的影響。他們觀察到，隨著陰影間距和掃描速度的增加，制造零件的密度顯著下降。在恒定激光能量下降低掃描速度可提供激光與材料之間的更多相互作用和更好的致密化。在討論陰影線間距（也稱為掃描間距）時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)新術(shù)語(yǔ)“重疊掃描線”。它通常描述連續(xù)掃描線的重疊量。在AZ91D零件的實(shí)驗(yàn)中，在0.33 m/s的低掃描速度下，在90μm的陰影間距下記錄到99.52%的最大密度。給出約166.7J/mm3的激光密度的參數(shù)組合足以穿透任何氧化物層并給出最大密度（大于99.5%）的部分。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，為了了解掃描速度對(duì)ZK60合金的影響，通過(guò)保持其他參數(shù)恒定進(jìn)行了研究。激光功率、掃描間隔、層厚度和激光光斑尺寸保持恒定為200W；分別為80μm、20μm和150μm。在100至900mm/s的掃描速度范圍內(nèi)，可以看出，在300mm/s的速度下達(dá)到94.05%的最大密度。在100mm/s的低掃描速度下，可以看到材料的嚴(yán)重蒸發(fā)和燃燒。當(dāng)掃描速度高于500mm/s時(shí)，粉末未完全熔化，導(dǎo)致孔隙率降低，密度降低達(dá)82.25%。還觀察到，隨著掃描速度的不斷增加，熔體軌跡具有從連續(xù)軌跡到不連續(xù)軌跡的明顯轉(zhuǎn)變。圖14顯示了掃描速度對(duì)成球的影響。

圖14 掃描速度對(duì)由成球現(xiàn)象引起的珠粒直徑的影響（原料粉末D50=6.43μm）。

LPBF工藝中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是層厚度。它影響零件的機(jī)械性能和尺寸精度。建立與其他加工參數(shù)相關(guān)的適當(dāng)層厚度是至關(guān)重要的。如果層厚較大，粉末將不可能完全熔化，因?yàn)闆](méi)有足夠的激光功率穿透粉末床。這會(huì)導(dǎo)致較大的空隙和氣孔，從而降低所生產(chǎn)零件的密度。因此，最佳層厚度值應(yīng)用于精細(xì)分辨率和中間層之間的更好結(jié)合，具有較少的缺陷，例如孔隙率。小的層厚度有助于通過(guò)允許更多的激光能量穿透粉末床更好地融合夾層。這暴露了先前熔化的層用于多次重熔，增加了密度和潤(rùn)濕性能。

Olakanmi等人在使用AlSi12的實(shí)驗(yàn)中觀察到，存在一個(gè)特定的層厚度值。這種無(wú)孔隙率的產(chǎn)品被證明具有優(yōu)異的微觀結(jié)構(gòu)性能，因?yàn)閷拥亩啻沃厝郾蛔C明以最小的球化表現(xiàn)出優(yōu)異的層間結(jié)合。圖15顯示了TEM圖像，顯示了熔融金屬凝固的效果，以獲得晶粒的精細(xì)分辨率。當(dāng)熔融金屬凝固時(shí)，大多數(shù)氣泡逃逸到表面并坍塌，以提供顆粒的精細(xì)分辨率。

圖15 SLMed AlSiMg1.4合金的TEM亮場(chǎng)圖像，顯示（a）α-Al晶粒中的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和（b）亞晶粒內(nèi)部的高密度位錯(cuò)纏結(jié)。

總之，可以說(shuō)，隨著激光功率的增加和掃描速度、層厚度和掃描間隔的減小，致密化增加。該結(jié)果也適用于其他材料和合金，如Al12Si和Ni-Cu合金。圖16顯示了在不同激光功率和掃描速度下通過(guò)L–PBF工藝生成的AlSi12合金微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片。Al和Si相分別為亮相和暗相。所有樣品都具有胞狀微觀結(jié)構(gòu)，初生Al相被共晶Al/Si微觀結(jié)構(gòu)包圍。微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)廣泛存在于通過(guò)L-PBF生產(chǎn)的Al-Si合金中。雖然在低掃描速度下使用高功率激光時(shí)，初生鋁相略有粗化，但細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)并未因激光設(shè)置而發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。在FE–SEM分辨率下，在伸長(zhǎng)的-Al相內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何相。

圖16 SEM圖像顯示了在不同激光功率和掃描速度下通過(guò)L–PBF工藝制造的AlSi12合金的微觀結(jié)構(gòu)。

來(lái)源：Laser Powder Bed Fusion: A State-of-the-Art Review of the Technology, Materials, Properties & Defects, and Numerical Modelling, Journal of Materials Research and Technology, doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.07.121

來(lái)源：Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang, Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties, Progress in Materials Science, 92 (2018), pp. 112-224, 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001