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（1）

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)值模擬的見解，以虛擬地理解工藝行為。本文為第一部分。


增材制造（AM）在多個(gè)方面徹底改變了制造業(yè)。激光粉末床熔化（LPBF）是一種粉末床熔化AM工藝，由于其對(duì)多種材料（包括合金）的多功能性，已被廣泛接受。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)值模擬的見解，以虛擬地理解工藝行為。特別關(guān)注選擇性激光計(jì)量（LPBFed）性能，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)形成驅(qū)動(dòng)，從而關(guān)注缺陷。本文還討論了細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)的后處理技術(shù)的范圍。已確定缺陷在LPBF工藝中至關(guān)重要，主要受工藝參數(shù)控制。因此，明智地選擇、優(yōu)化的一組參數(shù)可以在顯著減少缺陷方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。最后，本文中討論的數(shù)值模擬將有助于研究人員理解LPBF過(guò)程。

1.介紹

增材制造（AM），俗稱3D打印，已經(jīng)使制造業(yè)從開發(fā)概念到生產(chǎn)最終功能部件發(fā)生了革命性的變化。它也在推動(dòng)下一代創(chuàng)新和工程。AM對(duì)許多行業(yè)產(chǎn)生了顯著的影響，因?yàn)樗�使高度�?fù)雜和薄壁零件的制造具有成本效益。AM的持續(xù)增長(zhǎng)引發(fā)了對(duì)新制造方法的需求，這增加了對(duì)加工可靠性的需求，包括基于幾何、功能和物理特性的預(yù)期用途所需的特定于應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)。工藝的設(shè)計(jì)能力通常由計(jì)算機(jī)軟件組成，允許設(shè)計(jì)者預(yù)測(cè)每個(gè)部件的性能和處理能力，提高設(shè)計(jì)效率并降低生產(chǎn)成本。AM工藝在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型的指導(dǎo)下，通過(guò)逐步添加薄層材料來(lái)制備三維（3D）零件。它允許直接從設(shè)計(jì)或模型中制造定制或復(fù)雜的形狀，而無(wú)需使用任何昂貴的工具，如模具或沖頭，并消除了對(duì)許多常規(guī)方法和步驟的需要，如更換工具。

采用300 W激光功率和15 mm/s掃描速度在IN 718襯底上沉積(a) 1層和(b) 10層IN 718粉末時(shí)的溫度分布。激光束掃描方向沿正x軸(c)第十層熔池形狀和尺寸和(d)表面張力梯度驅(qū)動(dòng)熔池內(nèi)金屬液循環(huán)。

與傳統(tǒng)的制造方法不同，復(fù)雜的零件（如圓孔或直切口）可以在一個(gè)步驟中輕松制造。此外，AM工藝可以減少大量零件，因?yàn)椴恍枰�任何組件，因?yàn)榱慵�是一次性制造的。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，AM在航空航天、能源、汽車和醫(yī)療行業(yè)中被廣泛使用和首選，以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能零件。與傳統(tǒng)方法相比，AM工藝最突出的優(yōu)點(diǎn)是其生產(chǎn)復(fù)雜零件的能力。它通過(guò)消除傳統(tǒng)的制造工藝（如鑄造、鍛造或擠壓），直接從原料材料中成形。由于其近凈成形能力，廢物最小化也是AM的最大優(yōu)勢(shì)之一。此外，未使用的原料可在AM中重復(fù)使用，使其在原料材料上具有靈活性，并具有成本效益。圖1為AM生產(chǎn)部件的幾個(gè)示例。

圖1 （a）使用EBM生成的3D Ti6Al4V網(wǎng)格，（b）由LPBF生成的部分，（c）由EBM生成的零件，（d）由EBM生成的晶格結(jié)構(gòu)，（e）由DED生成的Ti葉片，（f）由LPF生成的多孔樣品。

目前，AM的主要障礙是需要完全理解加工參數(shù)與最終零件性能以及材料性能之間的關(guān)系。由于打印過(guò)程中涉及復(fù)雜的熱循環(huán)，主要是金屬零件的性能變化程度非常高。然而，AM和常規(guī)生產(chǎn)零件的性能（如殘余應(yīng)力、各向異性和缺陷）幾乎沒有冶金差異。這些特性僅限于AM，需要針對(duì)航空航天應(yīng)用等高性能要求進(jìn)行處理，主要是暴露于高溫疲勞的部件。

基于致密金屬零件的制造，通常使用基于粉末床的方法，如LPBF（激光粉末床熔合）、EBM（電子束加工）和DED（定向能量沉積）。所有這些過(guò)程都涉及進(jìn)料粉末與產(chǎn)生熔池的激光或電子束的相互作用，導(dǎo)致快速熔化和凝固。由于短時(shí)間的相互作用和熱輸入高度集中在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，觀察到高溫度梯度和大冷卻速率。由于不可避免的缺陷，零件的機(jī)械和疲勞性能將進(jìn)一步惡化。最終零件的機(jī)械性能用于確定AM是否可以被接受，以替代傳統(tǒng)的關(guān)于所生產(chǎn)零件的服務(wù)質(zhì)量和耐久性的方法。因此，為了進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，有必要比較AM制造部件和常規(guī)制造部件的實(shí)際要求和性能。其他AM方法包括BJG（粘合劑噴射）和透鏡（激光工程網(wǎng)成形）。在透鏡中，金屬粉末被注入到由高強(qiáng)度激光束形成的熔池中，以產(chǎn)生零件。

普渡大學(xué)的激光熔覆系統(tǒng)和噴嘴配置。

相反，BJG使用相反的原理，即使用粘合劑熔化金屬粉末，然后將其暴露于熱能。所有方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行選擇。可使用的材料類型是微分器之一。Debroy等對(duì)所有工藝中的不同材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LPBF是使用不同材料的最通用方法。隨后，LPBF已成為一個(gè)有趣的研究課題，主要在生物醫(yī)學(xué)和航空航天行業(yè)。撇開這些優(yōu)點(diǎn)不談，LPBF方法存在一些挑戰(zhàn)。高密度零件和高冷卻速率的要求存在，這會(huì)影響微觀結(jié)構(gòu)。因此，LPBF生產(chǎn)的零件通常具有較差的延展性。其他缺陷，如球化和氣孔，也會(huì)影響LPBF工藝，尤其是疲勞性能。高冷卻速率和溫度梯度導(dǎo)致殘余應(yīng)力，顯著影響裂紋萌生。

本文重點(diǎn)介紹了LPBF工藝和優(yōu)化其可制造性的方法。許多工藝參數(shù)影響LPBF工藝，因此，可以不同地控制最終零件產(chǎn)品特性。特別注意收集、審查和理解文獻(xiàn)科學(xué)卷中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以建立這些輸入?yún)��?shù)與LPBFed部件特性之間的關(guān)系。在本綜述文件的后續(xù)章節(jié)中，還將討論原料系統(tǒng)在LPBF工藝中的作用。

1.1 技術(shù)趨勢(shì)、更大的構(gòu)建平臺(tái)和更多激光器

自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來(lái)，激光粉末床聚變（L-PBF）一直在快速轉(zhuǎn)型，主要受航空航天、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防和汽車等行業(yè)的需求和要求驅(qū)動(dòng)。這種趨勢(shì)在未來(lái)將繼續(xù)增加，幫助制造商向更具創(chuàng)新性、數(shù)字化和高價(jià)值的制造業(yè)轉(zhuǎn)型。本節(jié)討論了L-PBF技術(shù)的現(xiàn)狀及其前景。綜述了L-PBF技術(shù)中的主要新興主題，包括激光技術(shù)突破、新型金屬粉末和合金、后處理增強(qiáng)以及最近的自動(dòng)化和質(zhì)量控制。

含TiC的功能梯度鉻鎳鐵合金。

1.1.1.提高質(zhì)量的技術(shù)趨勢(shì)

在所有制造金屬的AM方法中，如電子束粉末床熔合、直接能量沉積、粘合劑噴射和薄片層壓，LPBF的制造速度最慢�？筛鼡Q進(jìn)料室、閉環(huán)控制粉末管理、自動(dòng)粉末篩選、多層并行打印、兩軸涂布和多粉末料斗是LPBF打印機(jī)的最新進(jìn)展和未來(lái)方向。LPBF打印機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)進(jìn)步是使用低光束直徑激光器、多激光器、均勻惰性氣體流、精確定位系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)和傳感器以及自動(dòng)化來(lái)提高零件質(zhì)量。LPBF機(jī)器制造商的主要目標(biāo)之一是提高他們生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量。提供均勻一致的惰性氣體流的新設(shè)計(jì)，導(dǎo)致更高的熔合穩(wěn)定性，是不同機(jī)器特性如何影響部件質(zhì)量的一個(gè)例子。

此外，恒定的氣流減少了尺寸變化，導(dǎo)致產(chǎn)品具有更嚴(yán)格的公差。最小層厚度是粉末顆粒尺寸和打印機(jī)定位系統(tǒng)的直接函數(shù)。在構(gòu)建平臺(tái)上使用極為精確的定位設(shè)備可減少最小層厚度，從而實(shí)現(xiàn)10μm的精度和更好的側(cè)面和側(cè)面分辨率。閉環(huán)控制（CLC）系統(tǒng)被用作一些現(xiàn)代機(jī)器的可選功能，以微調(diào)工藝參數(shù)，提高部件質(zhì)量，并改善所生產(chǎn)零件的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)。

1.1.2 減少生產(chǎn)/制造提前期的技術(shù)趨勢(shì)

降低生產(chǎn)提前期是降低構(gòu)建總成本的一種有效策略。由于低層厚度和陰影空間，金屬的LPBF具有比其他技術(shù)（激光熔覆、電子束熔化、電子束自由成形制造、線弧AM和等離子弧AM）更低的構(gòu)建速率。最近已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種增強(qiáng)來(lái)補(bǔ)償這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)使用可調(diào)氣缸和自主粉末管理系統(tǒng)來(lái)減少安裝時(shí)間并提高生產(chǎn)率，提高了設(shè)備使用率。一些企業(yè)還提供閉環(huán)控制粉末處理和可更換氣缸作為創(chuàng)新，以提高生產(chǎn)速度。即使以最大容量打印，圓形平臺(tái)也可防止粉末分散，并且在整個(gè)構(gòu)建周期內(nèi)不需要任何粉末填充或卸載。這允許一致的施工過(guò)程、減少操作員時(shí)間和提高系統(tǒng)安全性。另一種提高機(jī)器LPBF性能的技術(shù)是在生產(chǎn)線的多個(gè)單元上采用標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)粉末管理系統(tǒng)。通過(guò)自動(dòng)化篩選過(guò)程和再循環(huán)粉末，減少了人力時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。多層并行打印是最新的技術(shù)，可縮短打印時(shí)間，并將打印速度提高到當(dāng)前方法的100倍。

許多粉末層同時(shí)分散在構(gòu)建表面上，允許激光同時(shí)掃描多個(gè)位置。采用傾斜重涂機(jī)，減少粉末重涂時(shí)間，是另一項(xiàng)加快過(guò)程的創(chuàng)新。通過(guò)采用氣密設(shè)計(jì)和氣體循環(huán)系統(tǒng)等元件，也可以實(shí)現(xiàn)低運(yùn)營(yíng)成本。在現(xiàn)代LPBF機(jī)器中，具有高達(dá)10 m/s的處理速度和超過(guò)1000 W的高功率的超快四路激光器提高了構(gòu)建速度。圖2描述了幾種機(jī)器的激光功率�？梢杂^察到，最近被指定為工業(yè)機(jī)器的選擇性激光熔化（SLM）系統(tǒng)（SLM 800和SLM 500）利用功率為2800W（4700W）的激光，允許更快地印刷較大的部件。GE機(jī)器也配備了高功率激光器，可輸出高達(dá)1500 W的功率，以實(shí)現(xiàn)更快的打印。

圖2 小型機(jī)器（藍(lán)色）、中型機(jī)器（紅色）和重型機(jī)器（綠色）的激光功率比較。

圖3是德國(guó)Lübeck SLM Solutions Group AG的新型SLM®機(jī)器NXG XII 600，該機(jī)器已正式推出，現(xiàn)已準(zhǔn)備投入商業(yè)使。激光束粉末床聚變（PBF-LB）增材制造機(jī)具有12臺(tái)1 kW激光器和600 x 600 x 600 mm正方形構(gòu)建環(huán)境。據(jù)制造商稱，NXG XII 600是市場(chǎng)上速度最快的調(diào)幅機(jī)，其制造速度比單個(gè)激光機(jī)快20倍，其技術(shù)特點(diǎn)包括變焦功能，以確保最大的生產(chǎn)率和可靠性。它旨在用于大批量應(yīng)用的串行制造和大型零件的制造，為汽車和航空航天行業(yè)開辟了新的可能性，并為工業(yè)化串行AM鋪平了道路。

圖3 配備12臺(tái)1kW激光器的新SLM機(jī)（NXG XII 600）。

1.2 激光束輪廓

在LPBF過(guò)程中，在激光-粉末相互作用過(guò)程中，整個(gè)粉末床的熱強(qiáng)度分布被認(rèn)為在大多數(shù)情況下遵循高斯光束模式。然而，整個(gè)表面的熱分布是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受光束質(zhì)量和激光波長(zhǎng)等因素的影響。在以精確描繪實(shí)際光束的方式呈現(xiàn)激光-材料相互作用時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。Soylemez使用高斯激光束模型來(lái)模擬LPBF處理Ti-6Al-4V合金的溫度分布。圖4顯示了激光吸收效率值，它顯示了來(lái)自模擬的熔池橫截面圖像。在模擬中，紅色區(qū)域表示熔融區(qū)域，而黑色虛線表示從實(shí)驗(yàn)樣品橫截面的光學(xué)顯微鏡圖像傳輸?shù)娜鄢剡吔缃Y(jié)果。圖4（a）和（b）分別顯示了100 m和260 m光束直徑的結(jié)果。由于軟件的后處理程序，熔池部分的等高線圖在邊界處具有不連續(xù)性。

圖4 P=370W和v=800 mm/s時(shí)模擬和實(shí)驗(yàn)之間的熔池對(duì)比示意圖。紅色區(qū)域是模擬的熔池截面，虛線是相同工藝參數(shù)下實(shí)驗(yàn)橫截面的熔池邊界。（a） D=100μm，（b）D=260μm。

Ahsan和Ladani使用非高斯激光束模型來(lái)模擬溫度分布、微珠幾何形狀和元素蒸發(fā)。他們將結(jié)果與LPBF處理Inconel 718合金的高斯光束模型進(jìn)行了比較。比較了非高斯光束和高斯光束的熱特性。高斯光束產(chǎn)生更局部化的溫度分布，導(dǎo)致熔池中心更顯著的溫度升高。隨著光束質(zhì)量因子的加入，減少了光束焦點(diǎn)，注意到遠(yuǎn)離光束中心的熱分布更加均勻。在最高溫度低于高斯光束的情況下，使用非高斯光束獲得的溫度分布與觀察到的溫度分布更具可比性。攝像機(jī)無(wú)法在較低溫度范圍內(nèi)測(cè)量溫度，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在較低的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值。

Shi等人將高斯（圓形）和橢圓（橫向和縱向）激光束形狀用于316L不銹鋼的LPBF工藝。已經(jīng)看到，橢圓形橫向激光束產(chǎn)生的寬光束寬度與通過(guò)成核過(guò)程產(chǎn)生等軸晶粒的可能性相關(guān)。在軌道開始時(shí)，柱狀開發(fā)很難避免。無(wú)熱輸入時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)由熔池寬度和深度以及熱過(guò)冷度決定。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)控制的局部光束成形物理的這一基本理解應(yīng)該對(duì)未來(lái)復(fù)雜的光束形狀設(shè)計(jì)和光束調(diào)制產(chǎn)生影響。Iveković等人使用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了哈氏合金-X的LPBF工藝中的微觀結(jié)構(gòu)和裂紋緩解。通過(guò)考慮兩種不同的激光束分布（高斯和頂帽），模擬了LPBF過(guò)程。

2 LPBF：一個(gè)突出的AM過(guò)程

LPBF是使制造業(yè)發(fā)生革命性變化的AM工藝之一，因?yàn)樗�允許制造復(fù)雜部件以降低成本、時(shí)間和勞動(dòng)力。它可以在不使用工具、鑄件或傳統(tǒng)制造方法的情況下制造復(fù)雜形狀。LPBF工藝對(duì)于理解操作參數(shù)與最終零件性能之間的關(guān)系至關(guān)重要。LPBF是一種粉末床融合方法，其中粉末床被擴(kuò)散，預(yù)定區(qū)域暴露于高強(qiáng)度激光能量。這樣，粉末可以按照CAD軟件中準(zhǔn)備的設(shè)計(jì)逐層熔化和熔融。這個(gè)名字本身就說(shuō)明了這個(gè)過(guò)程。術(shù)語(yǔ)“激光”表示過(guò)程中使用激光能量熱源，“熔化”表示粉末正在熔化，“選擇性”表示只有粉末床的選擇性部分受到熱源的影響。

PBF系統(tǒng)布局通常包括一個(gè)激光源、一個(gè)建筑平臺(tái)、一個(gè)輸送粉末的自動(dòng)系統(tǒng)、一個(gè)控制系統(tǒng)以及一些補(bǔ)充部件，如滾輪、刮刀等。高強(qiáng)度激光束的移動(dòng)和聚焦由光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)監(jiān)控，該系統(tǒng)包括電流鏡和平場(chǎng)聚焦透鏡。總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)LPBF生產(chǎn)零件的各個(gè)階段可分為以下幾類：（i）在CAD軟件中設(shè)計(jì)和建模要生產(chǎn)的3D零件，然后以規(guī)定的層厚將模型切成所需的層數(shù)。（ii）將基板固定在構(gòu)建平臺(tái)上，這是沉積層的基準(zhǔn)面。（iii）將構(gòu)建室移動(dòng)到保護(hù)性氣體中，主要是氮?dú)夂蜌鍤�，以最小化表面氧化的風(fēng)險(xiǎn)。（iv）根據(jù)預(yù)定義的層厚度，將第一層鋪展在構(gòu)建平臺(tái)上。（v）然后，激光器以預(yù)定路徑掃描粉末床，以按照CAD軟件和設(shè)計(jì)的模型的命令制造逐層形狀。（vi）降低建筑平臺(tái)并重復(fù)最后兩個(gè)步驟，即鋪展粉末床并多次掃描，直到生產(chǎn)出成品零件。LPBF機(jī)的部件如圖5所示。

圖5典型LPBF機(jī)器示意圖。

在LPBF中，粉末顆粒通過(guò)以激光束形式提供的熱量完全熔化成焊珠，這與焊接工藝的原理類似。因此，這是一種沉積焊接工藝。LPBF過(guò)程中發(fā)生了幾種物理行為：反射、相變、吸收、傳熱、凝固、化學(xué)反應(yīng)、熔融金屬的運(yùn)輸或熔融金屬在熔池內(nèi)的流動(dòng)。由于光能轉(zhuǎn)化為熱能而形成熔池，最終由于表面張力，熔池采用圓形或分段圓柱體的形狀。由于粉末床和激光器之間的相互作用時(shí)間非常短，形成了溫度高達(dá)105OC的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，隨后，在冷卻速度高達(dá)106-108OC/s的情況下，也發(fā)生了快速淬火效應(yīng)�？焖倌�固的結(jié)果是建立非平衡冶金現(xiàn)象，如細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)、固溶體硬化和亞穩(wěn)相的生成，這可以改善生產(chǎn)零件的機(jī)械性能。

LPBF方法的主要目的是制造完全致密的零件。獲得這種結(jié)果的困難在于，LPBF過(guò)程中沒有任何機(jī)械壓力，流體動(dòng)力學(xué)也僅受重力和毛細(xì)力控制。缺乏機(jī)械壓力會(huì)導(dǎo)致元素在凝固過(guò)程中溶解，從而導(dǎo)致軌道不連續(xù)熔化，并產(chǎn)生不良和不均勻的表面。LPBF過(guò)程中材料經(jīng)歷的熱波動(dòng)的高度變化增加了快速凝固層中的殘余應(yīng)力。由于非常高的加熱和冷卻速率，熱影響區(qū)（HAZ）在熔池周圍產(chǎn)生。該熱影響區(qū)可改變材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分，從而控制所生產(chǎn)零件的質(zhì)量。處理參數(shù)可以在任何時(shí)刻控制熱行為。這些是圖案填充間距、層厚度、掃描速度、激光功率和掃描策略。圖6顯示了LPBF工藝中的工藝參數(shù)。所選參數(shù)允許粉末完全熔化并與前一層完全融合。這些參數(shù)的不當(dāng)選擇可能會(huì)導(dǎo)致不希望的影響，如熱裂紋、成球和孔隙度，或指示其他不希望的效果。因此，必須在這些參數(shù)和輸出結(jié)果之間建立關(guān)系，以優(yōu)化處理參數(shù)以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。

圖6 LPBF處理參數(shù)示意圖。

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