鋼的激光粉末床熔煉綜述：工藝、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)趨勢(shì)（2）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本綜述旨在概述LPBF工藝中使用的鋼和鐵基合金的關(guān)鍵工藝參數(shù)，描述與凝固過(guò)程中的相變和微觀結(jié)構(gòu)演變密切相關(guān)的熱物理現(xiàn)象，重點(diǎn)介紹冶金缺陷及其潛在控制方法，以及各種后處理的影響。本文為第二部分。

2.激光粉末床熔化過(guò)程的熱物理現(xiàn)象
LPBF過(guò)程通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)高度復(fù)雜的現(xiàn)象，由發(fā)生在不同時(shí)空尺度上的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)制控制。典型LPBF工藝的粉末床、熔融熔池和凝固階段中發(fā)生的重要熱物理現(xiàn)象在以下三個(gè)小節(jié)中進(jìn)行了解釋（2.1激光粉末床相互作用期間的熱物理現(xiàn)象，2.2熔融熔池內(nèi)的熱物理效應(yīng)，2.3凝固階段內(nèi)的熱物理現(xiàn)象）。

2.1.激光粉末床相互作用過(guò)程中的熱物理現(xiàn)象

聚焦激光束照射粉末床表面，導(dǎo)致形成更復(fù)雜的非均勻傳熱現(xiàn)象，如粉末床輻射（激光束與粉末顆粒之間）、對(duì)流（粉末床與環(huán)境之間），以及最終的熱傳導(dǎo)（粉末層和建筑基底之間，和/或粉末層內(nèi)部）（見(jiàn)圖8a），取決于材料的各種物理和光學(xué)特性。聚焦激光束吸收受斜表面顆粒通過(guò)孔隙的多次反射控制，然后穿透并進(jìn)一步散射到更大的深度，有時(shí)可以達(dá)到粉末層厚度的范圍，如圖8b所示。光子能量轉(zhuǎn)換為熱能，熱能在粉末層中耗散。

圖8 LPBF過(guò)程中熱物理現(xiàn)象的示意圖（a）各種傳熱現(xiàn)象，（b）激光束和粉末床之間的相互作用。

通常假設(shè)入射激光束在粉末床上的空間功率密度分布遵循高斯分布，相關(guān)的2σ（標(biāo)準(zhǔn)偏差）值通常被用作激光束光斑大小。典型的激光光斑直徑從25μm到100μm不等，層厚介于25μm和50μm之間，具體取決于粉末形態(tài)和構(gòu)建材料。激光器的選擇取決于粉末材料的吸收率。

（a）粉末層表面上的熱分布，（b）粉末層表面的俯視圖，（c）模擬熔池橫截面的尺寸，以及（d）熔池橫截面積的實(shí)驗(yàn)尺寸。

2.2.熔融熔池內(nèi)的熱物理現(xiàn)象

一旦聚焦激光束擊中粉末表面上的局部位置，即達(dá)到熔化溫度，激光束立即熔化粉末，導(dǎo)致從固體液滴到液滴的相變，從而形成具有連續(xù)熔化軌跡的熔融熔池（理想情況下）。由于高速激光束照射到金屬粉末上產(chǎn)生的高熱梯度，形成的熔融熔池經(jīng)歷了由浮力、重力、表面張力和毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)的非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。熔融熔池內(nèi)的熱量傳遞主要由熱毛細(xì)對(duì)流或Marangoni對(duì)流控制，后者將熔融液態(tài)金屬?gòu)妮^熱的激光光斑驅(qū)動(dòng)至冷后方（見(jiàn)圖9），受溫度依賴的表面張力和粒子堆積結(jié)構(gòu)（PAS）形成機(jī)制的影響。表面張力、毛細(xì)管力、潤(rùn)濕行為以及慣性效應(yīng)被視為主要驅(qū)動(dòng)力。粘性和重力被認(rèn)為是通過(guò)吸引或排斥單個(gè)粉末顆粒而影響熔池動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、幾何形狀以及周圍粉末形態(tài)的次要效應(yīng)。一次力和二次力的相互作用將決定熔體軌跡的穩(wěn)定性和最終幾何形狀。熔融熔池的形狀通常由表面張力和毛細(xì)管流控制，因此可以通過(guò)調(diào)整激光加工參數(shù)來(lái)控制。

圖9 LPBF過(guò)程中Marangoni對(duì)流（流動(dòng)）示意圖。

2.3.凝固相內(nèi)的熱物理現(xiàn)象

熔融熔池開(kāi)始凝固時(shí)，冶金微觀結(jié)構(gòu)立即建立。凝固微觀結(jié)構(gòu)決定了最終LPBF制造產(chǎn)品的宏觀性能。凝固微觀結(jié)構(gòu)的相變通過(guò)晶粒形態(tài)和晶粒紋理來(lái)區(qū)分，晶粒形態(tài)和紋理受普遍的空間溫度梯度、冷卻速度以及凝固前沿速度的影響。LPBF過(guò)程中的凝固過(guò)程分為兩個(gè)區(qū)域；第一個(gè)區(qū)域包括與激光束直接接觸的溫度場(chǎng)（熔合區(qū)）和熱影響區(qū)（HAZ）。

在給定激光功率P = 300 W和掃描速度(a) V = 1800 mm/s和(b) V = 1500 mm/s條件下，熔池尺寸的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。

2.4.鋼材LPBF工藝熱物理現(xiàn)象相關(guān)研究綜述

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，有三種計(jì)算模型，即分析模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型。分析模型側(cè)重于過(guò)程的物理方面，它們往往有助于優(yōu)化過(guò)程參數(shù)。這些模型需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間來(lái)捕捉熔融熔池的復(fù)雜熱物理現(xiàn)象。分析方法能夠以不同的預(yù)測(cè)精度對(duì)過(guò)程物理部分進(jìn)行建模，它們不包含多種物理，因此效率較低，因?yàn)長(zhǎng)PBF過(guò)程涉及更復(fù)雜的物理。

隨機(jī)粉末床。（a）旋轉(zhuǎn)隨機(jī)包裝的雨量模型示意圖。（b）雨模型產(chǎn)生的粉末床。（c）通過(guò)移除一些顆粒來(lái)調(diào)整相對(duì)密度。（d）真實(shí)粉末床（鈦合金）的橫截面。

2.5激光粉末床熔凝工藝的凝固理論

為了了解LPBF加工零件的微觀結(jié)構(gòu)形成和性能演變，確定凝固理論和相關(guān)熱行為至關(guān)重要。

在傳統(tǒng)焊接或類似工藝中，形核始于熔合線中作為襯底的現(xiàn)有母材晶粒，這些晶粒通過(guò)外延生長(zhǎng)向焊縫中心生長(zhǎng)（見(jiàn)圖10）。由于熔融熔池與基底金屬顆粒緊密接觸，所以它（熔融熔池）完全潤(rùn)濕了這些基底金屬顆粒。均勻形核通常需要更大的時(shí)間尺度，這在LPBF過(guò)程中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。成核通常在基體金屬顆粒表面和液態(tài)金屬池之間的固液界面處開(kāi)始。凝固開(kāi)始于熔融熔池邊界，并朝向熔池本身的中心。LPBF過(guò)程在熔池邊界誘導(dǎo)非均勻形核，外延晶粒隨柱狀凝固前沿生長(zhǎng)。這些晶粒在垂直于熔融熔池邊界的方向上隨機(jī)生長(zhǎng)，并沿著最大溫度梯度生長(zhǎng)，這有助于實(shí)現(xiàn)最大的熱量抽取和最大的過(guò)冷度。由于外延成核，每個(gè)晶粒內(nèi)的柱狀樹(shù)枝晶或細(xì)胞傾向于沿?fù)駜?yōu)結(jié)晶方向生長(zhǎng)〈100〉。這是立方晶體（包括面心立方（FCC）和體心立方（BCC）金屬）的有利晶體生長(zhǎng)方向或通常觀察到的凝固織構(gòu)。晶體取向主要取決于掃描策略。具有〈100〉強(qiáng)織構(gòu)的鋼在LPBF過(guò)程中柱狀晶粒的生長(zhǎng)優(yōu)先與構(gòu)建方向（Z軸）對(duì)齊。

圖10 LPBF工藝中外延生長(zhǎng)的示意圖，類似于傳統(tǒng)焊接。

眾所周知，金屬合金的定向凝固微觀結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)表觀參數(shù)的影響決定的：固液界面“G”處的溫度梯度和凝固前沿（或凝固速度）的增長(zhǎng)速度“R”（見(jiàn)圖11）。G和R共同主導(dǎo)凝固微觀結(jié)構(gòu)。溫度梯度和生長(zhǎng)速率（G/R）之間的比值決定了凝固晶粒的形態(tài)，而這兩個(gè)量的乘積（G*R）決定了凝固區(qū)間內(nèi)材料的冷卻速率，因此控制了產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的尺寸。LPBF過(guò)程中熔融熔池的快速冷卻和快速凝固主要取決于能量密度和掃描速度。如圖11所示，隨著組分過(guò)冷度的增加，凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變經(jīng)歷了從平面前沿到等軸枝晶的形態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖11溫度梯度G和生長(zhǎng)速率R對(duì)凝固微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸的影響。

平面微觀結(jié)構(gòu)中不存在組分過(guò)冷區(qū)，因?yàn)楣桃海⊿/L）界面前部的溫度梯度Ga相對(duì)較高，但液相的實(shí)際溫度高于液相線溫度（TL）（見(jiàn)圖12a）。由于平面晶體界面的不穩(wěn)定狀態(tài)，在S/L界面處形成了許多小的、等距的、棱柱狀的六角形截面晶粒，這些晶粒延伸到過(guò)冷液體中（圖12b）。當(dāng)亞晶界的相應(yīng)TL減小時(shí)，組分（溶質(zhì)）被排斥在橫向亞晶界。當(dāng)溫度梯度Gc進(jìn)一步降低時(shí)，已經(jīng)形成的細(xì)胞晶體微結(jié)構(gòu)會(huì)在液體內(nèi)部深入滲透較長(zhǎng)的深度，也會(huì)導(dǎo)致橫向的組分過(guò)冷（圖12c）。柱狀或等軸枝晶與液相在敏感區(qū)域共存稱為糊狀區(qū)。值得注意的是，在這個(gè)糊狀區(qū)域中存在著非常高的組分過(guò)冷度（圖12d）。這一現(xiàn)象歸因于溫度梯度、結(jié)晶速率、激光能量的高斯分布以及不同區(qū)域熔融熔池的過(guò)冷度分布。因此，預(yù)計(jì)凝固微觀結(jié)構(gòu)中會(huì)形成不同類型的晶粒。

圖12 組分過(guò)冷對(duì)凝固模式的影響：（a）平面；（b）蜂窩式；（c）柱狀樹(shù)枝狀；（d）等軸枝晶（S、L和M分別表示固態(tài)、液態(tài)和糊狀區(qū)）。

顯然，激光功率、掃描速度和不同的構(gòu)建方向會(huì)影響LPBF構(gòu)建部件的晶粒特征。延伸晶粒（圖13a）在建筑方向上很常見(jiàn)，而等軸晶粒在橫向上很明顯（見(jiàn)圖13b）。更快的冷卻速度有時(shí)會(huì)影響亞結(jié)構(gòu)晶界的形成，由于表面上均勻分布的細(xì)枝晶，導(dǎo)致硬度和耐磨性更高。

圖13 （a）構(gòu)建方向上的細(xì)長(zhǎng)晶粒和（b）橫向上的等軸晶粒的電子背散射衍射（EBSD）圖像。

3.冶金缺陷的形成及其潛在控制方法

冶金缺陷的形成，如：球化、氣孔、小孔、裂紋、金屬夾雜物、殘余應(yīng)力、翹曲、分層、氧化、合金元素?fù)p失、剝蝕等，以及表面粗糙度。在金屬LPBF過(guò)程中，通常會(huì)觀察到階梯效應(yīng)、部分熔融/未熔融顆粒、飛濺、再進(jìn)入特征等（見(jiàn)圖14）。工藝參數(shù)的不正確選擇可能會(huì)在LPBF制造零件中引入不可避免的冶金缺陷和表面粗糙度，從而對(duì)最終的微觀結(jié)構(gòu)、表面紋理、物理和機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。

圖14 LPBF過(guò)程中出現(xiàn)的各種冶金缺陷和表面粗糙度列表。

3.1. 球化現(xiàn)象

球化現(xiàn)象用Plateau-Rayleigh毛細(xì)不穩(wěn)定性描述，當(dāng)沉積的熔體軌跡有時(shí)傾向于破碎成半圓柱形或球形時(shí)，就會(huì)發(fā)生球化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象取決于工藝變量，如掃描速度、表面張力、沉積材料的粘度和密度。球化現(xiàn)象是LPBF工藝中被視為嚴(yán)重加工缺陷的關(guān)鍵表面缺陷之一。表面張力和潤(rùn)濕性對(duì)熔池的形成有較大的影響。表面張力和毛細(xì)力的結(jié)合促使熔池收縮到其較低的表面能狀態(tài)（球體），當(dāng)單個(gè)熔體軌道的聚合與底層基板接觸不良時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成球缺陷的形成。換言之，由于存在表面雜質(zhì)，當(dāng)沿熔融熔池表面和晶界存在的液相未能完全潤(rùn)濕剩余的固體顆粒和底層襯底時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)成球缺陷。波紋缺陷會(huì)導(dǎo)致材料堆積，嚴(yán)重影響掃描軌跡的表面質(zhì)量，導(dǎo)致LPBF制造的316L不銹鋼表面粗糙度較差。

當(dāng)激光束入射到粉末床上時(shí)，粉末顆粒表面的局部位置立即開(kāi)始熔化。周圍粉末顆粒之間形成了從固體到液體熔融“簇”的相變，導(dǎo)致表面積減小，從而導(dǎo)致結(jié)塊。選定的激光光斑尺寸通常大于（起始）粒子尺寸。當(dāng)粉末顆粒熔化在一起時(shí)，較小的團(tuán)聚體逐漸長(zhǎng)大，并必然形成明顯較大的團(tuán)聚體（粗化）。隨著這一過(guò)程的繼續(xù)，熔融熔池表面張力的進(jìn)一步降低，傾向于形成球狀結(jié)構(gòu)（成球）。這些形成的球狀結(jié)構(gòu)的尺寸比原始粒度大幾倍（見(jiàn)圖15）。

圖15 成球現(xiàn)象示意圖。

高表面張力和粘度是增強(qiáng)成球起爆的兩個(gè)重要水動(dòng)力。激光能量密度越高，產(chǎn)生的熱量越多，形成的幾何尺寸越大的熔融熔池和與基板接觸的區(qū)域越寬。更大更寬的熔融熔池降低了粘度，增加了液態(tài)金屬的流動(dòng)性（潤(rùn)濕性），從而限制了成球的趨勢(shì)（見(jiàn)圖16）。然而，使用極端激光功率和掃描速度會(huì)產(chǎn)生各種不利影響。過(guò)量的熱量輸入通過(guò)過(guò)熱熔融熔池導(dǎo)致汽化。如圖17a和b所示，由于高斯光束加熱和激光束正下方的最高反沖壓力，通常在熔融熔池的頂面觀察到強(qiáng)烈汽化。過(guò)度加熱和較高反沖壓力的結(jié)合導(dǎo)致金屬蒸汽噴射羽流以熱飛濺的形式噴出，未熔化的粉末顆粒轉(zhuǎn)化為粉末飛濺。激光重熔可用于每個(gè)完全熔化的金屬層，以增強(qiáng)微觀結(jié)構(gòu)，從而克服球化現(xiàn)象。

圖16 不銹鋼等級(jí)316L的第一層單軌工藝圖。

圖17飛濺形成示意圖（a）熱/液滴飛濺和（b）粉末飛濺。

同樣，預(yù)熱基板可以改善液態(tài)金屬和基板之間的流動(dòng)性，從而形成更好的冶金結(jié)合，并隨后減少表面張力引起的（成球）收縮效應(yīng)。然而，預(yù)熱室溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致液滴飛濺，從而再次導(dǎo)致部分熔融粉末形成簇狀物，阻礙熔融熔池的潤(rùn)濕性。鋼材LPBF過(guò)程中的預(yù)熱溫度為80至900°C。

3.2.孔隙度

金屬粉末的致密程度通常較低。此外，粉末顆粒中存在的氣體很容易擴(kuò)散到熔融熔池中，由于快速冷卻和凝固，無(wú)法從熔融熔池表面逸出。因此，LPBF制造的鋼部件中形成了孔隙。相反，在高溫下，氣體在液態(tài)金屬中的溶解度通常較高，這也有助于形成孔隙。LPBF工藝中的氣孔缺陷可分為未熔合孔、小孔/凹陷缺陷和空洞。

未熔合孔與能量輸入不足有關(guān)，能量輸入不足無(wú)法完全熔化金屬粉末，液態(tài)金屬未充分滲透到先前凝固的層中，導(dǎo)致冶金結(jié)合不良。未熔合缺陷的范圍可達(dá)數(shù)百微米，基本上形狀不規(guī)則，通常形成于熔體軌道層界面。如果提供的熱量輸入低，則熔池的形成寬度變得太小。較寬的熔融熔池導(dǎo)致熔融軌跡之間的重疊不足。這種不充分的重疊導(dǎo)致在熔融軌道界面形成未熔化的粉末（圖18a和b）。由于熔合孔不完整，該位置的表面變得粗糙，直接阻礙熔池的流動(dòng)，導(dǎo)致層間缺陷。隨著過(guò)程的繼續(xù)，這些層間缺陷逐漸擴(kuò)展，最終形成多層缺陷。

圖18 316L LPBF樣品中觀察到的孔隙度缺陷的SEM圖像：（a）未充分熔合缺陷的低倍和（b）高倍放大；（c）氣孔；（d）空洞/空腔缺陷；，（e）軌道孔端部。（f）熔體軌跡底部的陣列鎖孔。

空洞的形成并不完全限于低激光能量輸入。也許，這還取決于熔體軌跡的穩(wěn)定性。孔隙可能是截留的氣孔、缺乏熔合孔或小孔引起的氣孔�？紫兜奶卣魇桥c熔融熔池邊界相關(guān)的內(nèi)部分層形態(tài)（圖18d）�？斩慈毕萃ǔＴ从谌廴谌鄢乜焖倮鋮s產(chǎn)生的較高殘余應(yīng)力，有時(shí)也可能會(huì)沿熔池邊界形成裂紋，導(dǎo)致最終偏析和空洞形成。由于液態(tài)金屬流無(wú)法完全填充最初存在保護(hù)氣體的周圍區(qū)域，因此在較高的掃描速度下很有可能出現(xiàn)空洞或開(kāi)口氣孔（見(jiàn)圖19）。鄰近氣體區(qū)域填充不足和快速冷卻速度導(dǎo)致表面產(chǎn)生數(shù)百微米的孔隙或開(kāi)放孔隙，并沿重疊間隙分布。

圖19 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示開(kāi)口孔隙或空隙。

氣孔會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的冶金缺陷，產(chǎn)生較低的零件密度，并對(duì)LPBF鋼的表面織構(gòu)和機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。用于抑制結(jié)球的策略同樣適用于限制孔隙度。例如，基板預(yù)熱和采用激光重熔可降低孔隙率。選擇適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，以產(chǎn)生足夠的液態(tài)金屬和更大的熔融金屬池壽命，被認(rèn)為有利于在LPBF過(guò)程中消除周圍的氣孔（區(qū)域）。

3.3.殘余應(yīng)力和開(kāi)裂

殘余應(yīng)力是熱制造工藝的一個(gè)特點(diǎn)，而LPBF工藝生產(chǎn)的零件尤其容易受到殘余應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力還可能導(dǎo)致與LPBF部件故障相關(guān)的各種建筑缺陷的形成。LPBF工藝產(chǎn)生的較高溫度梯度和致密化率往往會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。高熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致表面缺陷和氣孔，通常出現(xiàn)在熔池周圍。在極端情況下，較高的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致LPBF從其支撐結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的零件變形、收縮、開(kāi)裂、翹曲和分層。因此，LPBF零件的綜合機(jī)械性能、零件密度和尺寸精度往往會(huì)受到嚴(yán)重影響。

熱應(yīng)力通常由溫度梯度或固化材料中相鄰激光熔化區(qū)的固化收縮引起，因此，熱應(yīng)力的降低也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的減小。熱應(yīng)力是開(kāi)裂的主要原因。根據(jù)材料加熱或冷卻的膨脹行為，LPBF過(guò)程中形成的熱應(yīng)力分為（i）固體襯底中的溫度梯度機(jī)制（TGM）（ii）熔化頂層的冷卻階段。在第一種情況下，當(dāng)固體基板經(jīng)歷激光束誘導(dǎo)的高熱能梯度時(shí)，其頂層熱膨脹。熱膨脹受到較冷底層凝固層的限制。這會(huì)在基材的頂層產(chǎn)生彈性壓縮應(yīng)力。熱膨脹可能超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，并在激光能量源方向上翻轉(zhuǎn)頂層的塑性變形（圖20a）。然而，當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力點(diǎn)時(shí)，材料中的壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致頂層的塑性變形。當(dāng)塑性變形層冷卻時(shí)，打印材料層收縮并朝相反方向彎曲（見(jiàn)圖20b）。因此，壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余拉應(yīng)力，從而在LPBF加工零件中誘發(fā)開(kāi)裂。在第二種情況下，已經(jīng)熔化的上層溫度在開(kāi)始時(shí)比下層溫度高。當(dāng)熔融熔池冷卻和固化時(shí)，上層由于熱收縮而趨向于更大程度的收縮。

圖20 LPBF中殘余應(yīng)力的熱梯度機(jī)制示意圖：工藝（a）加熱；（b）冷卻。

LPBF過(guò)程中的開(kāi)裂可分為凝固開(kāi)裂和液化開(kāi)裂（圖21a和b）。當(dāng)枝晶幾乎完全長(zhǎng)大為等軸晶時(shí)，凝固裂紋發(fā)生在凝固的最后階段，這些等軸晶被一條細(xì)小的殘余液帶以糊狀區(qū)晶界膜的形式分開(kāi)。此時(shí)，熔融熔池可能相當(dāng)脆弱，因此在拉伸應(yīng)力下容易開(kāi)裂。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)液體流動(dòng)性受到較低溫度下粘度增加的限制，枝晶間液體流動(dòng)受到凝固枝晶臂的阻礙時(shí)，凝固裂紋發(fā)生在熔融熔池內(nèi)或熔合區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，凝固裂紋對(duì)最終覆層性能的影響是無(wú)法解釋的，因?yàn)樗�通常發(fā)生在頂部沉積表面。采用激光重熔或機(jī)械加工可消除凝固裂紋。

圖21 開(kāi)裂形態(tài)（a）液化和（b）凝固開(kāi)裂。

液化開(kāi)裂從較弱的區(qū)域開(kāi)始，即部分熔化區(qū)或前層中的熱影響區(qū)（HAZ），隨著進(jìn)一步的沉積逐層進(jìn)行，擴(kuò)展穿過(guò)晶間區(qū)域。液化開(kāi)裂也稱為熱開(kāi)裂，主要發(fā)生在合金元素含量高的合金中。這些合金在HAZ和層之間的交叉區(qū)域中沉淀了幾個(gè)低熔點(diǎn)共晶，這些層在共晶溫度（固溶溫度）以上重新熔化。一旦形成液化裂紋，它就成為裂紋擴(kuò)展的起始位置，并且隨著沉積的進(jìn)行，裂紋逐漸擴(kuò)展。液化開(kāi)裂趨勢(shì)在很大程度上取決于晶界取向錯(cuò)誤，這受到液化膜穩(wěn)定性和局部應(yīng)力集中的影響。

LPBF過(guò)程中更快的熔化和固化速度導(dǎo)致拉伸殘余應(yīng)力，因?yàn)榫植考す饽芰枯斎胼^高，加上粉末顆粒的導(dǎo)熱性較低。在激光光斑附近形成了較高的溫度梯度。與奧氏體不銹鋼和低碳鋼相比，前者更容易發(fā)生凝固裂紋，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)較低，熱膨脹系數(shù)較高。此外，一些合金雜質(zhì)，如硫（S）、磷（P）和硅（Si），對(duì)SS材料的開(kāi)裂有嚴(yán)重影響。降低S+P+Si含量可以降低開(kāi)裂敏感性。值得注意的是，大量的氮值對(duì)不銹鋼的凝固開(kāi)裂有害。高碳鋼通常由連續(xù)馬氏體相組成，而在不銹鋼中，連續(xù)相通常以殘余奧氏體的形式存在，這有助于防止開(kāi)裂。

飛濺粉末與更小的原始粉末混合的光學(xué)顯微鏡圖像。

為了控制熱應(yīng)力和開(kāi)裂，可以采取以下必要步驟。較高的熱量輸入會(huì)導(dǎo)致形成較高的熱殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致開(kāi)裂。因此，裂紋的形成也取決于最佳范圍工藝參數(shù)的選擇。沿晶界存在的低熔點(diǎn)合金元素可誘發(fā)嚴(yán)重的晶界液化裂紋。引入一些傾向于限制凝固溫度范圍的合金元素有助于改變?nèi)鄢氐幕瘜W(xué)成分，從而防止開(kāi)裂�；�板預(yù)熱是添加到鋼材LPBF工藝中的新增強(qiáng)工具，旨在降低熱梯度，最小化殘余應(yīng)力，從而制造具有優(yōu)異機(jī)械和物理性能的高密度零件。通常應(yīng)避免較高的冷卻速度，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致熱應(yīng)變，并縮短液態(tài)金屬填充裂紋的可用時(shí)間。

來(lái)源：A comprehensive review on laser powder bed fusion of steels: Processing, microstructure, defects and control methods, mechanical properties, current challenges and future trends, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.033

參考文獻(xiàn)：A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing, Renew Sustain Energy Rev, 50 (2015), pp. 594-614