金屬增材制造過程中多尺度缺陷的控制方法

來源：增材制造技術(shù)前沿

粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的類型包括尺寸缺陷、表面質(zhì)量缺陷、顯微組織缺陷以及成分缺陷。本文主要描述對這些缺陷的控制方法。

1. 殘余應(yīng)力控制
控制成形部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和變形可有效提高成形部件的精度和質(zhì)量。殘余應(yīng)力消除主要通過熱處理來實現(xiàn)，熱處理按照其加工過程可分為：(1) 原位熱處理；(2) 傳統(tǒng)熱處理。

原位熱處理主要是通過設(shè)置更為合理的過程參數(shù) (如改變掃描策略)，降低成形過程熔池與凝固組織間的溫度梯度和冷卻速度，在成形平面產(chǎn)生更為均勻的熱分布。此外，傳統(tǒng)熱處理也可被用來消除成形部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和提高孔隙率，但在處理過程中應(yīng)注意設(shè)置合理的保護氣氛以防止活性金屬氧化。此外，近年來有研究人員將超聲強化、激光沖擊強化等新型手段與增材制造相結(jié)合，促使成形部件內(nèi)部殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴睦瓚?yīng)力，極大地增加了金屬部件的疲勞性能。


2. 表面缺陷控制
降低鋪粉層厚可有效減少臺階效應(yīng)對于成形部件表面精度的影響，但同時會延長打印時間，增加打印成本。此外，打印過程中合適的擺放位置。現(xiàn)有研究表明成形方向與打印生長方向夾角小于30°可有效抑制臺階效應(yīng)對于成形樣品表面精度的影響。未熔粉末和球化效應(yīng)所引起缺陷可通過調(diào)控過程參數(shù)來進行調(diào)整和優(yōu)化。為提高表面光潔度，可篩分出粒度分布較為集中的粉末顆粒進行打印。采用較低的掃描速度和較高的激光功率可有望實現(xiàn)粉末完全熔化，消除球化缺陷，降低表面粗糙度。然而，過多的能量輸入也可能導(dǎo)致熱應(yīng)力和冷卻速度不均勻造成部件變形等缺陷。因此，需對工藝參數(shù)進行廣泛研究，優(yōu)化各種工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度和艙口距離等，以達到粉末完全熔化條件。

(a, b) 表面粗糙度作為分析粗糙度模型預(yù)測的傾斜角和顆粒分數(shù)的函數(shù)；(c) 多層 PBF 工藝模擬的側(cè)面，以及 (d) 實驗和預(yù)測側(cè)面粗糙度的比較

此外，為降低金屬增材制造部件表面粗糙度，對于結(jié)構(gòu)簡單的金屬部件，可采用常規(guī)機械光整加工方法對于成形部件進行加工處理，如：機械拋光等。但傳統(tǒng)加工技術(shù)難以對增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件表面進行有效處理。對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異形金屬部件，常采用化學拋光、磨粒流拋光等先進物理、化學拋光方法進行處理。

3. 微觀組織缺陷控制
微觀組織缺陷控制主要通過合金成分設(shè)計和過程參數(shù)控制來實現(xiàn)。通過在打印體系中添加新型合金元素或增強相顆粒，可有效改善部件加工性能，消除缺陷，提高打印質(zhì)量和材料性能。目前，用于裂紋敏感合金的附加陶瓷顆粒包括氧化物( Al2O3 , Y2O3 )、氮化物( TiN )、碳化物( TiC , SiC )、水合物( TiH2 )和硼化物( TiB2 )等，這些亞微米或納米級顆粒增強相可以作為異質(zhì)形核點，誘導(dǎo)等軸晶生長，共調(diào)更多的應(yīng)變，進而消除熱裂紋缺陷。

SS316L和 (b) Ti6Al4V LPBF 中熔池演化和孔隙形成的數(shù)值模擬；(c) Ni-Mo二元合金的AM中縮孔形成的模擬

Al7075合金的PBF打印：（a）標準原料粉末（b）加入納米顆粒的粉末（c，d）樹枝狀生長模式從柱狀生長向等軸生長的轉(zhuǎn)變（e，f）添加納米顆粒的晶粒細化和裂紋消除

工藝參數(shù)優(yōu)化是目前最為常用的顯微組織缺陷控制方法，主要是通過體能量密度公式來確定合理的加工參數(shù)窗口。但隨著對能量密度公式的研究逐漸深入，研究人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有能量密度公式已難以對工藝參數(shù)進行精確調(diào)控，急迫需要對其進行修正。為解決PBF成形金屬部件因其內(nèi)部粗大柱狀晶所造成的嚴重的各向異性，研究人員期望將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S晶來提高其機械-力學性能，主要有以下四種方法：


(1) 對打印過程參數(shù)進行調(diào)整(包括：激光功率、掃描速度、掃描策略等)；

(2) 添加晶粒生長限制元素或增強相對合金進行合金設(shè)計，促使熔池中過冷液體在凝固時形核成為細小等軸晶；

(3) 混合處理，在PBF過程中引入原位軋制或超聲振動處理，以外來能量輸入干涉熔融金屬液體的凝固過程，促進等軸晶的形核與長大；

(4) 熱處理，通過對成形部件進行原位熱處理或者后期傳統(tǒng)熱處理，改變晶粒形態(tài)。顯微組織偏析與位錯胞行為的控制主要通過控制打印過程參數(shù)來實現(xiàn)。此外，通過在PBF過程中施加原位擾動(如電磁攪拌)也可實現(xiàn)對微觀組織與成分偏析的控制。
參考文獻：Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys