粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（2）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷/異常及其形成機(jī)制。本文為第二部分。

1.4.缺陷分類(lèi)
1.4.1.一般顯微結(jié)構(gòu)缺陷和異常

一般來(lái)說(shuō)，缺陷可以通過(guò)三種具體方式產(chǎn)生或轉(zhuǎn)移到成品零件上，主要是通過(guò)：（1）從原料粉末轉(zhuǎn)移到粉末相關(guān)缺陷，（2）熔化過(guò)程中的激光-粉末-金屬相互作用，也稱(chēng)為加工相關(guān)缺陷，以及（3）由于熱處理導(dǎo)致的加工后相關(guān)缺陷（圖6）。此外，設(shè)備、建造準(zhǔn)備和零件設(shè)計(jì)也會(huì)影響AM零件中缺陷的形成。金屬增材制造中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型包括各種類(lèi)型的氣孔，如未熔合、匙孔、球化和滯留氣體。其他缺陷類(lèi)型包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力和金屬AM工藝快速凝固導(dǎo)致的變形（翹曲）。為了限制金屬AM內(nèi)缺陷的產(chǎn)生，必須通過(guò)適當(dāng)選擇材料、工藝和后處理設(shè)置來(lái)考慮和控制缺陷形成和轉(zhuǎn)移的機(jī)制。

圖6 粉末床熔合增材制造中的缺陷/異常形成機(jī)制分為三大類(lèi)：（1）粉末相關(guān)缺陷，（2）加工相關(guān)缺陷，以及（3）加工后相關(guān)缺陷。

粉末相關(guān)缺陷。通常，粉末的形態(tài)、流動(dòng)性、平均尺寸和粒度分布、表面污染等特性會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在基于熔融的AM工藝中，粉末特性直接受到粉末生產(chǎn)技術(shù)的影響，如水和氣體霧化、等離子霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝等。使用球形粉末可以獲得更高的表觀密度、更高的堆積密度、更好的粉末流動(dòng)性和光滑的表面光潔度，然而，球形粉末的生產(chǎn)成本較高。當(dāng)PBF中使用的細(xì)粉（<5μm）比例過(guò)高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生粉末結(jié)塊，從而對(duì)粉末堆積密度、粉末流動(dòng)性和最終零件密度產(chǎn)生負(fù)面影響。L-PBF中使用的典型粒度范圍為15–45μm，而E-PBF中則使用45–110μm的粗粉粒。

處理相關(guān)缺陷。許多研究已經(jīng)研究了加工參數(shù)，如功率、掃描速度、層厚、填充間距和掃描策略對(duì)不同缺陷形成的影響，主要是氣孔和孔洞。更詳細(xì)地說(shuō)，熔合孔隙邊界的缺乏可以通過(guò)熔池之間是否有足夠的重疊來(lái)確定，以確保所有點(diǎn)至少熔化一次。相比之下，匙孔孔隙度邊界對(duì)應(yīng)于深匙孔中的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致匙孔收縮。第三個(gè)邊界（稱(chēng)為“串珠”邊界）由流體流動(dòng)模式和熔池毛細(xì)不穩(wěn)定性的組合決定，是提高生產(chǎn)速度的限制因素，同時(shí)保持L-PBF AM系統(tǒng)的精度（例如，同時(shí)提高速度和功率）。整體LOF、匙孔和堆焊氣孔邊界定義了一個(gè)有效的工藝窗口，用于生產(chǎn)名義上全密度的零件。全密度可量化為體積密度>99.9%的樣品，但應(yīng)注意，在處理窗口內(nèi)仍可能存在較大缺陷（圖7）。

圖7 L-PBF金屬AM中的缺陷形態(tài)在功率速度（P-V）加工參數(shù)空間內(nèi)遵循可預(yù)測(cè)的趨勢(shì)。

如下圖（a）和（b）所示，將3.2毫米厚的皮板真空夾在鋁基上，同時(shí)將擠壓的型材縱梁垂直放置并保持良好接觸到位。合金中鋰元素的存在增加了表面氧化膜的生長(zhǎng)速度，這是焊接過(guò)程中孔隙率形成的主要原因。因此，在焊接前需要格外注意準(zhǔn)備表面。用砂紙研磨表皮材料的表面以除去氧化層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AA2196上的氧化層含有較高的氫含量，因此將縱梁AA2196的表面研磨到至少0.2毫米。表面處理后縱梁的最終厚度為1.6 mm，采用直徑為0.8 mm的AA4047填充線。

激光焊接蒙皮縱梁工藝和X射線CT樣品的配置。

其他缺陷，如開(kāi)裂、變形和超高邊緣，在打印和打印圖案期間會(huì)受到熱歷史的影響，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膾呙璨呗院筒考�設(shè)計(jì)來(lái)控制這些缺陷。

焊接工藝模型配置

焊縫試樣長(zhǎng)310毫米，相當(dāng)于3秒的焊接時(shí)間。仿真表明，焊接將在起點(diǎn)后不久進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此在模型中將焊縫長(zhǎng)度減少到100 mm以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源是明智的。焊縫和 3D 模型示例如下圖所示。請(qǐng)注意，網(wǎng)格在焊縫附近進(jìn)行了顯著細(xì)化，其中溫度變化迅速。焊縫的體積是根據(jù)填料送絲速率計(jì)算的，該速率在模型中是預(yù)定義的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置了輻射、表面對(duì)流、傳導(dǎo)到背板和夾具的熱損失。工為了模擬氦氣保護(hù)氣體、背板和夾緊引起的強(qiáng)化傳熱，人為地增加了焊縫附近、背面和夾緊之間的表面的傳熱系數(shù)。

實(shí)際焊接試樣（a）和ABAQUS中的3D模型（b）。

當(dāng)飛濺的粉末形成并落在粉末層上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種不同類(lèi)型的問(wèn)題。通常，飛濺的粉末是粗糙的，因此，如果激光/電子束通過(guò)飛濺粉末，可能會(huì)阻止完全熔化，從而形成孔隙。此外，如果濺出的顆粒被重涂刀片取代，則會(huì)產(chǎn)生不均勻和不規(guī)則的粉末床，從而導(dǎo)致分配材料的不連續(xù)性）通常，激光功率分布和脈沖整形可以減少L-PBF中的飛濺顆粒。在E-PBF中，電子和粉末顆粒之間的相互作用傳遞能量和電荷。在這種情況下，當(dāng)靜電斥力壓倒將顆粒固定在粉末床上的力時(shí)，粉末就可能?chē)姵鯷。由于蒸汽形成和周?chē)鷼怏w溫度升高，可能會(huì)形成羽流，這表明化學(xué)成分、溫度和與周?chē)�大氣的壓差。這種現(xiàn)象可能會(huì)改變激光/電子束路徑的光學(xué)特性，影響粉末床表面焦點(diǎn)處的光束輪廓和能量密度。

SLM 處理的示意圖。

后處理相關(guān)缺陷。由于AM零件的缺陷傾向，通常采用熱等靜壓（HIP）處理來(lái)減少內(nèi)部缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度。熱等靜壓涉及在惰性環(huán)境中應(yīng)用高壓和高溫，通過(guò)減少表面能和不平衡的內(nèi)外壓力來(lái)縮小內(nèi)部缺陷的尺寸。該過(guò)程需要在足夠高的溫度和壓力下進(jìn)行，以允許材料變形并使孔隙塌陷，如果氣體是可溶的，則允許其擴(kuò)散出孔隙。許多研究表明，熱等靜壓處理可以有效降低AM組件中的孔隙率，并隨后改善延伸率和疲勞壽命。然而，在高溫下延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的顯微組織粗化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低和不利的顯微組織。

當(dāng)對(duì)含有惰性氣體（如氬氣）的氣孔進(jìn)行HIP處理，然后再暴露于高溫時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。經(jīng)觀察，氬氣孔在熱等靜壓處理后的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中會(huì)再生，這一過(guò)程稱(chēng)為熱致孔隙率（TIP），其嚴(yán)重程度足以導(dǎo)致機(jī)械性能退化。該過(guò)程是將現(xiàn)在加壓的孔隙從熱等靜壓過(guò)程加熱到允許周?chē)�材料通過(guò)蠕變變形的溫度的結(jié)果。

就AM零件中的缺陷產(chǎn)生而言，可能還有其他資源，例如設(shè)備、粉末處理和分配，以及構(gòu)建準(zhǔn)備，也可能有助于缺陷產(chǎn)生。在下文中，對(duì)每一項(xiàng)都進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

氣體副產(chǎn)物和粉末層反射能量的任何污染都可能影響局部光束空間能量分布，導(dǎo)致幾何精度較差。Sames等人認(rèn)為腔室環(huán)境可能導(dǎo)致缺陷零件生產(chǎn)。通常，在L-PBF工藝過(guò)程中，惰性氣體被引導(dǎo)至構(gòu)建表面，氣體流速以及顆粒和飛濺物隨后的沉積路徑會(huì)影響打印步驟中缺陷的形成（孔隙率、飛濺粉末、尺寸精度差、表面粗糙度）。圖8顯示了由于氣體出口附近濺落顆粒的再沉積而產(chǎn)生缺陷的示例。

圖8 （A）在LPBF期間構(gòu)建樣本布局，其中靠近進(jìn)氣口的零件內(nèi)部缺陷最小，而靠近排氣口的LPBF打印零件的頂面上顯示出明顯的飛濺顆粒，光學(xué)顯微照片表明沒(méi)有熔合孔。

Anwar和Pham調(diào)查了L-PBF過(guò)程中濺出的粉末。他們表明，增加氣流速度導(dǎo)致粉末床污染增加，這是由于惰性氣流輸送粉末，飛濺顆粒形成和從熔池噴出的可能性更大。與打印環(huán)境相關(guān)的另一個(gè)重要問(wèn)題是E-PBF中的氧含量低于L-PBF，因?yàn)榍罢呤褂玫氖钦婵铡Ｇ皇抑械母吆�氧量有助于形成球狀或珠狀起爆�?br />
由于熔池因表面張力而卷曲，或重新形成的飛濺物落回粉末床上，如下圖（a）和（b）所示，成球和satellites出現(xiàn)，然后導(dǎo)致以下軌跡中的不均勻熔合。此外，由于溫度梯度較高，出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。由于過(guò)熱發(fā)生在有銳角的地方，膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)在圖（c）所示的小特征或懸垂幾何體上。由于目標(biāo)區(qū)域未熔合，也會(huì)出現(xiàn)翹曲、膨脹和分層現(xiàn)象。羽流隨著加工條件的變化而振動(dòng)，通過(guò)吸收或反射激光輻射產(chǎn)生能量損失。此外，熔化軌道頂面上的飛濺物會(huì)阻礙相鄰線路。當(dāng)強(qiáng)烈的煙羽和飛濺突然爆裂或消失時(shí)，熔化質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。很難確定SLM制造組件中過(guò)熱或欠熱的缺陷原因。然而，過(guò)熱和欠熱都會(huì)導(dǎo)致缺陷，并與羽流飛濺特征有關(guān)，因此，通過(guò)羽流飛散特征識(shí)別過(guò)熱和欠溫現(xiàn)象是避免缺陷出現(xiàn)的第一步。

（a）成球、（b）satellites和（c）SLM過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹。

粉末處理和分配。這些是PBF工藝中缺陷形成的其他來(lái)源重涂系統(tǒng)可能會(huì)影響粉末層的密度和鋪展層的平滑度，導(dǎo)致粉末層形成不均勻。此外，如果固化區(qū)域有任何飛濺的粉末，刀片可能會(huì)撞擊表面并使打印件變形。換言之，由于重涂系統(tǒng)在構(gòu)建區(qū)域上的線性運(yùn)動(dòng)，飛濺粉末的缺陷可能導(dǎo)致粉末新鋪展層出現(xiàn)異常。此外，粉末的不均勻?qū)訉?duì)粉末堆積密度和激光與粉末的相互作用有不利影響，從而導(dǎo)致不一致的加工條件和潛在的氣孔形成�？梢杂盟⒆踊蛳鹉z重涂器替換刀片，以減少分配系統(tǒng)和粉末床之間的磨損和摩擦。當(dāng)分配系統(tǒng)經(jīng)過(guò)構(gòu)建區(qū)域時(shí)，它還可以防止與正在打印的部件發(fā)生碰撞。然而，刷子或橡膠重涂器更容易損壞，通常需要頻繁更換。

構(gòu)建準(zhǔn)備。在附加制造的構(gòu)建設(shè)計(jì)步驟中會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，包括（1）關(guān)于構(gòu)建板和打印方向的部件/構(gòu)建方向，以及（2）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和犧牲組件。

構(gòu)建方向會(huì)影響AM零件中的微觀結(jié)構(gòu)（紋理和晶粒取向）以及潛在孔隙度的形成。此外，尺寸精度和表面光潔度是受制造方向影響的其他兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。各向異性行為，如機(jī)械性能和腐蝕速率，會(huì)受到構(gòu)造方向的強(qiáng)烈影響。Jamshidinia和Kovacevic表明，構(gòu)建板上零件之間的間距會(huì)影響熱量積累，從而導(dǎo)致不同的表面質(zhì)量。當(dāng)零件彼此靠近時(shí)，熱分布和耗散受壁間間距的控制，從而使粉末顆粒的部分熔化增加，并且它們粘附在凝固表面上，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加。

支撐結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是構(gòu)建設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，影響最終零件的質(zhì)量和性能。打印后，需要移除支撐結(jié)構(gòu)以完成AM部件。對(duì)于復(fù)雜零件，需要支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)椋?）避免具有懸垂結(jié)構(gòu)的AM零件塌陷，（2）控制從AM零件到構(gòu)建板的熱梯度和熱沉，以及（3）減少殘余應(yīng)力引起的翹曲和變形。圖9顯示了支撐結(jié)構(gòu)和缺陷的示例。

圖9 （A）實(shí)際部件的重建過(guò)程，顯示了如何將支撐結(jié)構(gòu)添加到AM部件中；（B）雙懸臂梁的各種支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（C）具有不同支撐結(jié)構(gòu)的AM部件示例，表明支撐結(jié)構(gòu)和構(gòu)建板之間的接口處未形成裂紋。在齒架設(shè)計(jì)中觀察到小裂紋，但對(duì)AM部件沒(méi)有翹曲影響。（D） PBF AM部件懸垂故障。（E）表明裂紋形成的示例取決于試樣的高度，其中8.2 mm及以上的所有較高試樣在其界面角處開(kāi)裂，8.1 mm的較短試樣在其端部未開(kāi)裂。

據(jù)報(bào)道，未熔化粉末引起的表面粗糙度是EBM®產(chǎn)生的非混沌晶格結(jié)構(gòu)中裂紋萌生的可能原因。多個(gè)來(lái)源可能會(huì)影響增材制造組件的表面粗糙度，例如設(shè)計(jì)。在增材制造過(guò)程中，三維（3D）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （CAD） 模型被切成許多薄層。這些薄層或二維 （2D） 層彼此堆疊在一起以創(chuàng)建 3D 對(duì)象。CAD模型和3D打印對(duì)象之間可能存在幾何差異。這種差異被稱(chēng)為階梯踩踏效應(yīng)。結(jié)果表明，樓梯踩踏效應(yīng)在傾斜表面上更為明顯。粉末顆粒的大小是另一個(gè)可能對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生重大影響的參數(shù)。使用較小的粉末顆�？梢宰畲笙薅鹊販p少階梯效應(yīng)，因?yàn)槭褂幂^小的粉末顆�？梢詫�(shí)現(xiàn)更薄的層。據(jù)報(bào)道，對(duì)于給定的傾斜角度，朝下和朝上的表面之間的表面粗糙度可能不同。Bacchewar等人表明，向下的表面具有更高的平均表面粗糙度。這種差異可以通過(guò)考慮在向下表面上觀察到的圓角效應(yīng)來(lái)解釋。

（a）網(wǎng)域幾何形狀和（b）5 mm間距的嚙合示意圖。藍(lán)色表面和藍(lán)色虛線顯示預(yù)沉積的Ti-6Al-4V，而紅色虛線顯示域的邊緣。

1.4.2.其他缺陷

在這篇綜述中，我們重點(diǎn)介紹了粉末床熔煉AM中常見(jiàn)的宏觀和微觀微觀結(jié)構(gòu)缺陷。通常，這些缺陷傾向于降低構(gòu)建的屬性。當(dāng)縮小長(zhǎng)度尺度時(shí)，在原子/納米尺度上對(duì)缺陷的研究較少。在這里，我們總結(jié)了PBFed金屬零件的最新文獻(xiàn)中報(bào)告的關(guān)鍵結(jié)果，以促進(jìn)對(duì)此主題的進(jìn)一步探索和發(fā)現(xiàn)。

在納米尺度上，缺陷可以按尺寸分類(lèi)：（a）零維缺陷（空位）；（b）一維缺陷（位錯(cuò)）；（c）二維缺陷（晶界）；和（d）三維缺陷（空洞）。

不同間距（a）5mm、（b）10mm和（c）20mm的薄板冷卻期間溫度分布的比較；（1）俯視圖，（2）側(cè)視圖。

空位是空位點(diǎn)陣，在添加劑制造的循環(huán)加熱/冷卻過(guò)程中，空位往往會(huì)累積。增材制造合金的機(jī)械、熱電和電化學(xué)性能都會(huì)受到空位的影響。在Fe-Al鐵鋁合金系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)空位濃度與斷裂強(qiáng)度和硬度呈正相關(guān)，而對(duì)伸長(zhǎng)率和延展性產(chǎn)生負(fù)面影響。在Ti-6Al-4V中觀察到類(lèi)似的行為，其中氧空位在氧化層中形成n型半導(dǎo)體，增加其對(duì)侵蝕性離子（如氯離子）的親和力，從而削弱耐腐蝕性。

高位錯(cuò)密度是竣工PBF零件的常見(jiàn)特征，主要是由于受限介質(zhì)中的循環(huán)熱膨脹/收縮。盡管被認(rèn)為是一種晶體缺陷，但位錯(cuò)在以下方面對(duì)AM零件有利：


(1)錯(cuò)位有助于以?xún)煞N形式保持零件的完整性：（a）在枝晶生長(zhǎng)期間，細(xì)胞邊界具有較高的錯(cuò)位密度，以適應(yīng)每個(gè)枝晶分支之間的錯(cuò)位。（b）幾何必要位錯(cuò)（GND）形成，以適應(yīng)不同相/晶粒/顆粒之間非均勻變形以及伴隨熱收縮的較小但不可忽略的塑性應(yīng)變產(chǎn)生的變形梯度。

(2)位錯(cuò)對(duì)零件的機(jī)械性能有很大影響。位錯(cuò)可以與材料中的其他缺陷積極相互作用，例如顆粒、孿晶/晶界，甚至分離元素。這種相互作用形成了漸進(jìn)加工硬化機(jī)制。不銹鋼，尤其是316 L不銹鋼中的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)最近被確定，并被視為竣工316 L鋼具有優(yōu)異強(qiáng)度和延展性的關(guān)鍵因素。位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過(guò)阻止（而不是完全阻止）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)強(qiáng)化材料，還可以通過(guò)允許位錯(cuò)傳輸并打破強(qiáng)度-塑性權(quán)衡來(lái)保證連續(xù)塑性流動(dòng)，從而提高材料的延展性。

由于晶粒細(xì)化和外延晶粒生長(zhǎng)，完工PBF零件中的晶界似乎密集且高度各向異性。因此，晶界在決定零件的機(jī)械性能、電化學(xué)性能，甚至磁性性能方面起著重要作用。

空穴可以看作是納米尺度的晶格空位簇。平衡空位濃度隨溫度升高，并可通過(guò)快速冷卻部分保持。匙孔隙的小密度（<1 vol%，<1μm）通常不會(huì)對(duì)拉伸或循環(huán)荷載下的材料失效構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。然而，應(yīng)注意，由于孔洞之間的局部顯著塑性滑移導(dǎo)致應(yīng)力和溫度增加，一對(duì)/一組孔洞可以共同作用，從而引發(fā)斷裂。此外，空洞在與其他納米尺度特征（空位、位錯(cuò)、雜質(zhì)元素等）相互作用期間，可能會(huì)影響高溫（但低于再結(jié)晶溫度）下的材料行為。然而，正如其他地方所討論的那樣，眾所周知，大孔隙作為疲勞裂紋的起始位置。

來(lái)源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974

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