《JMR&T》激光粉末床熔合制備的金屬玻璃中的氣孔和裂紋綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

中國礦業(yè)大學的研究人員綜述了激光粉末床熔合(LPBF)制備金屬玻璃(MG)材料中的孔隙和裂紋。相關研究成果以“Pores and cracks in the metallic glasses prepared by laser powder bed fusion”為題發(fā)表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

快速發(fā)展的增材制造(AM)技術可以克服金屬玻璃的臨界尺寸限制。這可以獲得具有復雜幾何形狀和大尺寸的金屬玻璃（MG）部件。然而，殘余缺陷(如氣孔和裂紋)嚴重影響了合金的性能。因此，抑制和消除增材制造后殘留的孔隙和裂紋至關重要。
本文綜述了激光粉末床熔合(LPBF)制備金屬玻璃(MG)材料中的孔隙和裂紋，包括近年來在抑制它們的產(chǎn)生、減緩它們的擴展和消除它們的崩潰方面取得的成就和面臨的挑戰(zhàn)。綜述了近年來LPBFed微孔材料的研究進展，以及微孔和裂紋的抑制策略，如參數(shù)優(yōu)化、掃描策略改變、第二相的引入、襯底和微孔材料的選擇以及在設計孔隙率下提高元件性能等。進一步分析了孔隙裂縫的起裂機理。最后，對目前尚未解決的問題、面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向進行了評價。最后，對LPBFed MG的孔隙和裂縫問題進行了總結和展望。

圖1所示：近二十年來，關于AM和/或MG的研究急劇增加。

圖2所示：(a)增材制造技術和(b)應用金屬玻璃系統(tǒng)的百分比。

圖3所示：(a) LPBF機示意圖和(b) LPBF工藝示意圖。

隨著MG在LPBF中形成過程中的快速熔化和凝固，激光能量的吸收、傳導、輻射、對流、成球甚至蒸發(fā)等一系列復雜現(xiàn)象發(fā)生(圖4a)，這取決于激光、金屬粉末和相除之間的相互作用(圖4)。

圖4所示：(a)激光與粉末的相互作用，(b)激光束的相互反射

孔隙和裂紋形成的初步研究,前期報道了LPBF制造的FeCSiBPCrMoAl MG中出現(xiàn)裂紋的早期探索。同時觀察到裂紋和氣孔，通過優(yōu)化激光參數(shù)和掃描策略可以明顯減少裂紋和氣孔(圖5)。

圖5所示：(a)霧化后的粉末，(b-d)能量和掃描速度優(yōu)化后的可調節(jié)孔隙和裂紋

掃描參數(shù)優(yōu)化
在LPBF過程中，激光與材料相互作用的熱力學和動力學行為可能受到許多因素的影響(圖6)，這些因素將影響制造的MG中出現(xiàn)的孔隙和裂紋。

圖6所示：LPBF過程中的影響參數(shù)

圖7所示：密度和裂紋隨激光能量密度的增加而改善:(a-d) 24.4 ~ 37.8 J/mm3

掃描策略調節(jié)
除了調整掃描參數(shù)外，激光掃描模式還會影響LPBF過程中的溫度分布，其調節(jié)有望通過改變掃描策略來部分釋放有害的熱應力，抑制孔隙和裂紋的存在。
與常用的X或Y策略相比，XY交叉掃描策略可以降低熱應力，從而有利于抑制裂紋。通過調整三種掃描策略以及改變掃描間隔和掃描速度，進一步研究了三種掃描策略對LPBF制備Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 MG中氣孔和裂紋形成的影響�？紫逗土鸭y被很好地抑制，最終幾乎消失。同時，也可以得到幾乎完全致密的無裂紋MG (圖8)。

圖8所示：(a-d)不同掃描策略下ZR基MG的SEM圖像。黑色和白色箭頭分別指向孔隙和帶隙。

此外，Li等人通過在Al85Ni5Y6Co2Fe2 MGC的LPBF中采用重掃描策略，成功抑制了裂紋尖端的擴展(圖9)。

圖9所示：重新掃描前后MGC的比較(上、下兩列)。紅色箭頭指向裂縫，在低功率重新掃描后可以減輕裂縫。

采用填充線掃描、棋盤掃描和相鄰層間正交掃描三種掃描策略對孔隙分布進行了研究。此外，還報道了不同掃描策略下的孔隙分布。根據(jù)不同的掃描策略，孔隙可能沿同心圓排列，或積聚在熔體軌跡中心附近，或隨機分布(圖10)。

圖10所示：μ-CT圖像和孔隙分布隨掃描策略(a-b)填充線掃描、(c-d)棋盤掃描和(e-f)相鄰層間正交掃描而變化。

裂紋的萌生
最近，對LPBF制造的FeCrMoWMnSiBC MG的裂紋起裂位置進行了研究。隨著熔池表面張力的減小，熔池的流動性也隨之增強。相反，裂紋增大，這可能歸因于較高的溫度梯度。更重要的是，他們還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)裂紋起源于非晶區(qū)(熔池)和熱影響區(qū)(HAZ)之間的連接處，在復雜的循環(huán)熱處理之后，由于殘余熱應力集中在該連接處，裂紋易于擴展(圖11)。

圖11所示：能量密度分別為(a) 17.54 J/mm3、(b) 35.10 J/mm3、(c) 65.79 J/mm3和(d)熔池與熱影響區(qū)連接時樣品的微觀結構。

從現(xiàn)有的文獻來看，孔隙和裂紋的形成機制可以概括為:孔隙和裂紋產(chǎn)生的最根本問題是激光與粉末的相互作用，而這種相互作用受多種因素的影響和調節(jié)，如掃描策略和參數(shù)、起始粉末、激光特征、第二相、MG體系，甚至襯底特征等。這種相互作用決定了鎂合金的熔化和凝固，包括結晶、化學均勻性和殘余應力，處理不當可能導致氣孔的存在，當伴隨的熱應力超過鎂合金的斷裂強度時，就會產(chǎn)生裂紋，如圖12所示。

圖12所示：孔隙與裂紋萌生機制。

待解決的問題和未來的研究方向
為了減少孔隙和裂縫的產(chǎn)生，人們做了一些研究努力。這些研究包括掃描參數(shù)的優(yōu)化、掃描策略、襯底溫度等，考慮到MG合金LPBF過程中孔隙和裂紋的初級階段，經(jīng)過仔細分析，對幾個尚未解決的問題和未來的研究方向進行了提煉和總結，如圖13所示。

圖13所示：未解決的問題和未來的方向。

相關論文鏈接：
Haishun Liu, Yangyang Jiang , Dengfeng Yang , Qi Jiang, Weiming Yang . Pores and cracks in the metallic glasses prepared by laser powder bed fusion. Nature 620, 78–85 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w

參考文獻：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 423018732#cebib0010