粉末基增材制造金屬和合金過程的多尺度缺陷的形成原因及修正方法

來源：航空燃機資訊

由于增材制造(AM)技術(shù)提供了出色的設計自由度，具有復雜幾何形狀的部件可以基于預定義的計算機輔助設計(CAD)模型輕松地逐層制造。各種 AM 技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并廣泛應用于設計和制造用于關(guān)鍵工業(yè)應用的高性能組件，包括航空航天，醫(yī)療和汽車領(lǐng)域。

基于粉末的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。香港理工大學、西北工業(yè)大學和香港中文大學的傅銘旺教授等人提出了基于粉末的增材制造金屬和合金過程中的多尺度缺陷，并闡明了各類缺陷形成的潛在機制以及控制方法；總結(jié)了金屬增材制造各類缺陷的破壞性和非破壞性檢測方法；介紹了多尺度增材制造缺陷建模的研究進展；分析討論了各類缺陷對增材制造件的拉伸及疲勞力學性能的影響機制。

多尺度缺陷的分類概覽
金屬 AM 部件的性能在很大程度上取 決于其表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)特征。影響表面質(zhì)量和微結(jié)構(gòu)的主要因素包括材料性能、設計相關(guān)因素、工藝參數(shù)和系統(tǒng)設置。不適當?shù)墓に嚺渲每赡軙�在最終的 AMed 組件中引入缺陷，例如孔隙和裂紋�；�于現(xiàn)有的金屬 AM 文獻，在 AMed 金屬零件和結(jié)構(gòu)中識別出從毫米到納米尺度的多尺度缺陷。如圖所示，將多尺度缺陷主要分為三大類，即幾何相關(guān)缺陷、表面完整性相關(guān)缺陷和微結(jié)構(gòu)缺陷。特別地，我們首先將織構(gòu)柱狀晶粒，復合-結(jié)構(gòu)缺陷和位錯細胞在 AMed 件中普遍存在，并對 AMed 元件的性能產(chǎn)生重要影響。

基于粉末的增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類

1幾何相關(guān)缺陷
幾何缺陷主要來自于制造結(jié)構(gòu)與理想 CAD 模型之間 的尺寸和幾何偏差。幾何相關(guān)缺陷主要包括零件變形和分層。分層是AM 過程中獨特的開裂行為，這是由于 AM 的逐層制造模式的性質(zhì)所決定的。典型的零件變形和分層如圖 (a-c)]所示。零件變形和脫層是由宏觀殘余應力引起的，而宏觀殘余應力來源于空間熱 梯度

例如，零件在熱循環(huán)過程中的不均勻膨脹和收縮，以及不均勻的非彈性應變。影響殘余應力相關(guān)變形的因素有很多。與設備相關(guān)的因素包括激光光斑尺寸、基板的厚度和預熱等，都可能誘發(fā)這類缺陷。在我們寶貴的工作中，我們比較了微 LPBF(使用直徑為 25 m 的細激光束)和常規(guī) LPBF 產(chǎn)生的懸臂梁的畸變。如圖 (a.d)所示，由于原位應力消除退火更顯著，精細激光束產(chǎn)生的畸變更小。因此，微型 LPBF 系統(tǒng)更有可能生產(chǎn)出幾何精度高的部件。此外，Corbin 等研究了襯底厚度和預熱對 DED Ti6A14V 變形的影響。他們得出結(jié)論:襯底預熱后，薄襯底的畸變有效降低，而厚襯底的畸變則增加。因此，選擇合適的基板厚度和預熱溫度來減少殘余應力是很重要的。

研究了激光功率、掃描速度、掃描層厚度和掃描策略等工藝參數(shù)對殘余應力和零件變形的影響。Mugwagwa 等人報道了掃描速度和激光功率的增加導致由殘余應力引起的 LPBFed 懸壁變形總體呈增加趨勢，增加層厚會減少變形，但由于能量密度降低而增加孔隙率。Salem 等利用橋曲率法探討了掃描策略對畸變的影響，結(jié)果表明，通過縮短掃描矢量，畸變幅度減小。相應地，Promoppatum 和 Yao報道，在 Ti6A14V的 SLM 中分別使用 5 mm 和 1 mm 的掃描長度時，殘余應力從 185 MPa 降低到 90 MPa(圖 (e))。工藝參數(shù)對殘余應力影響的類似趨勢也在中進行了回顧。

零件變形的設計相關(guān)因素包 括零件在基材上的方向和位置、零件形狀、特征尺寸直接金屬激光燒結(jié) Ti6A14V 零件的幾何精度。結(jié)果表明，幾何誤差隨著特征尺寸的增加而減小并收斂到一個恒定值，表明尺寸相關(guān)收縮是幾何不精度的原因。此外，懸空或突出特征在復雜結(jié)構(gòu)中很常見，但由于缺乏底部支撐，它們難以通過 AM對于 PBF 工藝，粉末床可以作為這些結(jié)構(gòu)的支撐。然而，由于粉末床與固體懸垂結(jié)構(gòu)之間的電導率差異，可能會產(chǎn)生集中的殘余應力，導致結(jié)構(gòu)翹曲、卷曲和變形。因此，當構(gòu)件具有懸垂或突出特征時，需要設計支撐結(jié)構(gòu)。除了支撐懸垂特征外，良好的支撐結(jié)構(gòu)設計還可以保證正確的熱流流向基材，防止因高殘余應力而產(chǎn)生較大的變形。

2表面完整性相關(guān)缺陷
表面完整性缺陷是指與 CAD 設計模型的理想輪廓相偏離的不均勻或不規(guī)則的表面特征。我們總結(jié)了造成 AMed 部件表面完整性相關(guān)缺陷的四個主要因素，即階梯效應、部分熔化的粉末、球化效應和表面裂紋。與機械加工等傳統(tǒng)制造工藝相比，這些缺陷導致表面粗糙度較高，質(zhì)量和精度較低，這是 AM 工藝固有的局限性之一.

階梯效應是指由于制造分辨率的限制，曲面和斜面的層層逐級通近。樓梯效應引起的平均表面粗糙度(Ra)由層厚度和相對于建筑方向的傾斜角(BD)決定。增加層厚會導致顯著的樓梯效應和更大的表面粗糙度。對于 AM 的晶格結(jié)構(gòu)，這種帶有懸挑支柱的復雜幾何形狀很容易導致樓梯效應。alketan 等人利用 LPBF 制作了各種周期性金屬胞狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)由于表面胞狀結(jié)構(gòu)的傾斜角不斷變化，因此與基于支柱的品格相比，表面胞狀結(jié)構(gòu)中的階梯效應不那么明顯，如圖(a, b)所示。

影響 AMed 零件表面粗糙度的第二個因素是部分熔化的粉末當在 AM 過程中使用低能量輸入時，粉末可以部分熔化并粘附在零件表面。由于部分熔化而產(chǎn)生的平均表面粗糙度可以達到與粒度相同的尺度。此外，與較小的粉末相比，較大尺寸的粉末更難完全熔化，從而導致較差的表面光潔度。不同的表面取向也導致了不同的表面粗糙度。在我們之前的工作中，我們報道了由于有更多的部分熔化的粉末，側(cè)表面比頂表面具有更高的表面粗糙度，如圖(c, d)所示。此外，眾所周知，由于更多的粉末傾向于部分熔化并粘附在下表面，因此下表面通常比上表面具有更大的表面粗糙度。

在 AM 過程中，起球效應是一個相當普遍的問題，甚至被認為是金屬 AM 中表面缺陷和氣孔的主要原因之一，尤其是鋁合金等輕質(zhì)合金。它發(fā)生在 AM 過程中，因為液態(tài)金屬的表面張力通過產(chǎn)生液體球體使表面積最小化。成球效應是一種復雜的冶金行為，它是由潤濕性差和液滴飛濺引起的。如果能量輸入不足，則熔池下部太淺，無法充分滲透到下部層，它不能克服上部的表面張力。這種較差的潤濕性，直接導致液球的形成。

液球的形成。例如，在圖 (e)中，隨著激光掃描速度的增加(能量輸入的減少)，熔池被拉長。伴隨著潤濕性的降低，它往往會破裂成不連續(xù)的小球。在一定程度上增加能量輸入，可以改善潤濕性，抑制成球效應。然而，過多的能量輸入可能會因液滴飛濺而再次誘發(fā)成球效應，如圖 (f)所示。如此高的能量密度會產(chǎn)生不穩(wěn)定的熔池，伴隨著金屬的蒸發(fā)和較大的反沖壓力，致熔化的金屬和未熔化的粉末飛濺。濺落的液態(tài)金屬形成微尺度的凝固球體落在表面上。由于液體的低粘度和長壽命，這種液滴飛濺誘導的球化效應在高激光功率和低掃描速度的條件下普遍存在。而且，球化效應不僅會導致表面粗糙度增加，還會導致金屬粉末沉積不均勻，并可能誘發(fā)孔隙和分層。

最后但并非最不重要的是，表面裂紋也是一個需要關(guān)注的關(guān)鍵缺陷。Tang 等在 SLM 制造 CM247LC 時采用邊界掃描策略，旨在提高表面光潔度。雖然使用邊界掃描策略獲得了光滑的表面但結(jié)果表明，與體塊區(qū)域相比，邊界區(qū)域存在更多的裂紋，如圖(g)所示。隨后，作者檢查了邊界區(qū)和體區(qū)晶體結(jié)構(gòu)，分別以粗柱狀晶粒和細長織構(gòu)晶粒為特征，如圖 (h)所示。表面裂紋沿邊界區(qū)域的高角度晶界出現(xiàn)。邊界區(qū)較大的柱狀晶粒與高密度的幾何必要位錯(GND)有關(guān)，這意味著更高的內(nèi)應力，從而更高的裂紋敏感性。因此，在表面光潔度和表面附近區(qū)域的裂紋之間的權(quán)衡是裂紋敏感合金(如鎳基高溫合金)的 AM 的關(guān)鍵問題。需要同時考慮這些因素對工藝參數(shù)進行仔細優(yōu)化。


3微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷

3.1 內(nèi)部裂紋

3.2 內(nèi)部毛孔

2.3 有紋理的柱狀顆粒

3.4 成分缺陷

4表面缺陷的檢測與建模

AMed 零件的表面缺陷和表面粗糙度(如 Ra)可以通過接觸或非接觸方法進行評估。標準觸頭輪廓法是獲取 AMed 零件表面輪廓的接觸方法之一，應適當選擇觸頭半徑和錐角，以保證表面數(shù)據(jù)的可靠性，避免損壞探頭和表面。此外，在使用接觸式方法時，還應考慮檢測表面的可及性。另一方面，非接觸方法可以避免表面損傷，包括共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡等面形貌測量方法，以及光學顯 微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等二維成像方法。

迄今為止，關(guān)于金屬 AM 過程表面質(zhì)量建模的研究工作有限。Strano等人提出了一個考慮部分粘合顆粒對表面粗糙度影響的分析模型。預測結(jié)果表明，高傾斜表面的粗糙度顯著在折痕隨顆粒分數(shù)的變化(圖 (a))。通過實驗測量不同傾斜角度表面的粗糙度來驗證新模型(圖(b))。Boschetto 等人建立的理論粗糙度模型考慮了樓梯效應、球化和衛(wèi)星對粗糙度的影響，并以 AlSi10Mg SLM 為例進行了驗證。除了解析建模外，Yan 等利用有限體積法(FVM)建立了 PBF 過程的高 保真粉末尺度模型，旨在揭示成球效應和單軌不均勻性形成的機理。仿真結(jié)果表明，成球效應的發(fā)生高度依賴于輸入能量和層厚。在最近的項工作中，Wu 等人基于 FVM 模擬了多層 PBF 過程，以預測薄壁的側(cè)壁粗糙度圖 (c)。實驗和數(shù)值結(jié)果都表明，隨著線能量密度的增加，側(cè)面粗糙度逐漸降低圖 (d)。顯然，解析模型更方便定量預測表面粗糙度，而數(shù)值過程建模成本高，更傾向于理解成球效應等缺陷形成機制。

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)；


(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。

來源：相關(guān)綜述以題為 “Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys” 發(fā)表在材料領(lǐng)域頂刊 Journal of Materials Science & Technology上。