粉末基增材制造金屬和合金過(guò)程的多尺度缺陷的形成原因及修正方法

來(lái)源：航空燃機(jī)資訊

由于增材制造(AM)技術(shù)提供了出色的設(shè)計(jì)自由度，具有復(fù)雜幾何形狀的部件可以基于預(yù)定義的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型輕松地逐層制造。各種 AM 技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造用于關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)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(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)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(guò)程中的多尺度缺陷，并闡明了各類缺陷形成的潛在機(jī)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(cè)方法；介紹了多尺度增材制造缺陷建模的研究進(jìn)展；分析討論了各類缺陷對(duì)增材制造件的拉伸及疲勞力學(xué)性能的影響機(jī)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(shè)計(jì)相關(guān)因素、工藝參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置。不適當(dāng)?shù)墓に嚺渲每赡軙?huì)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(xiàn)，在 AMed 金屬零件和結(jié)構(gòu)中識(shí)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(fù)合-結(jié)構(gòu)缺陷和位錯(cuò)細(xì)胞在 AMed 件中普遍存在，并對(duì) 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(lái)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(guò)程中獨(dú)特的開(kāi)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(yīng)力引起的，而宏觀殘余應(yīng)力來(lái)源于空間熱 梯度

例如，零件在熱循環(huán)過(guò)程中的不均勻膨脹和收縮，以及不均勻的非彈性應(yīng)變。影響殘余應(yīng)力相關(guān)變形的因素有很多。與設(shè)備相關(guān)的因素包括激光光斑尺寸、基板的厚度和預(yù)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(xì)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(yīng)力消除退火更顯著，精細(xì)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(yù)熱對(duì) DED Ti6A14V 變形的影響。他們得出結(jié)論:襯底預(yù)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(yù)熱溫度來(lái)減少殘余應(yīng)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(duì)殘余應(yīng)力和零件變形的影響。Mugwagwa 等人報(bào)道了掃描速度和激光功率的增加導(dǎo)致由殘余應(yīng)力引起的 LPBFed 懸壁變形總體呈增加趨勢(shì)，增加層厚會(huì)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(duì)畸變的影響，結(jié)果表明，通過(guò)縮短掃描矢量，畸變幅度減小。相應(yīng)地，Promoppatum 和 Yao報(bào)道，在 Ti6A14V的 SLM 中分別使用 5 mm 和 1 mm 的掃描長(zhǎng)度時(shí)，殘余應(yīng)力從 185 MPa 降低到 90 MPa(圖 (e))。工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響的類似趨勢(shì)也在中進(jìn)行了回顧。

零件變形的設(shè)計(jì)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(gè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)中很常見(jiàn)，但由于缺乏底部支撐，它們難以通過(guò) AM對(duì)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(dǎo)率差異，可能會(huì)產(chǎn)生集中的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)翹曲、卷曲和變形。因此，當(dāng)構(gòu)件具有懸垂或突出特征時(shí)，需要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)還可以保證正確的熱流流向基材，防止因高殘余應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)主要因素，即階梯效應(yīng)、部分熔化的粉末、球化效應(yīng)和表面裂紋。與機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造工藝相比，這些缺陷導(dǎo)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(yīng)是指由于制造分辨率的限制，曲面和斜面的層層逐級(jí)通近。樓梯效應(yīng)引起的平均表面粗糙度(Ra)由層厚度和相對(duì)于建筑方向的傾斜角(BD)決定。增加層厚會(huì)導(dǎo)致顯著的樓梯效應(yīng)和更大的表面粗糙度。對(duì)于 AM 的晶格結(jié)構(gòu)，這種帶有懸挑支柱的復(fù)雜幾何形狀很容易導(dǎo)致樓梯效應(yīng)。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(yīng)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(gè)因素是部分熔化的粉末當(dāng)在 AM 過(guò)程中使用低能量輸入時(shí)，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(dá)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(dǎo)致較差的表面光潔度。不同的表面取向也導(dǎo)致了不同的表面粗糙度。在我們之前的工作中，我們報(bào)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(guò)程中，起球效應(yīng)是一個(gè)相當(dāng)普遍的問(wèn)題，甚至被認(rèn)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(guò)程中，因?yàn)橐簯B(tài)金屬的表面張力通過(guò)產(chǎn)生液體球體使表面積最小化。成球效應(yīng)是一種復(fù)雜的冶金行為，它是由潤(rùn)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(wú)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(rùn)濕性，直接導(dǎo)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(zhǎng)。伴隨著潤(rùn)濕性的降低，它往往會(huì)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(rùn)濕性，抑制成球效應(yīng)。然而，過(guò)多的能量輸入可能會(huì)因液滴飛濺而再次誘發(fā)成球效應(yīng)，如圖 (f)所示。如此高的能量密度會(huì)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(zhǎng)壽命，這種液滴飛濺誘導(dǎo)的球化效應(yīng)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(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增加，還會(huì)導(dǎo)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(gè)需要關(guān)注的關(guān)鍵缺陷。Tang 等在 SLM 制造 CM247LC 時(shí)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(xì)長(zhǎng)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(cuò)(GND)有關(guān)，這意味著更高的內(nèi)應(yīng)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(wèn)題。需要同時(shí)考慮這些因素對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)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(cè)與建模

AMed 零件的表面缺陷和表面粗糙度(如 Ra)可以通過(guò)接觸或非接觸方法進(jìn)行評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)觸頭輪廓法是獲取 AMed 零件表面輪廓的接觸方法之一，應(yīng)適當(dāng)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(shí)，還應(yīng)考慮檢測(cè)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(cè)量方法，以及光學(xué)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(guò)程表面質(zhì)量建模的研究工作有限。Strano等人提出了一個(gè)考慮部分粘合顆粒對(duì)表面粗糙度影響的分析模型。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，高傾斜表面的粗糙度顯著在折痕隨顆粒分?jǐn)?shù)的變化(圖 (a))。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同傾斜角度表面的粗糙度來(lái)驗(yàn)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(yīng)、球化和衛(wèi)星對(duì)粗糙度的影響，并以 AlSi10Mg SLM 為例進(jìn)行了驗(yàn)證。除了解析建模外，Yan 等利用有限體積法(FVM)建立了 PBF 過(guò)程的高 保真粉末尺度模型，旨在揭示成球效應(yīng)和單軌不均勻性形成的機(jī)理。仿真結(jié)果表明，成球效應(yīng)的發(fā)生高度依賴于輸入能量和層厚。在最近的項(xiàng)工作中，Wu 等人基于 FVM 模擬了多層 PBF 過(guò)程，以預(yù)測(cè)薄壁的側(cè)壁粗糙度圖 (c)。實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)表面粗糙度，而數(shù)值過(guò)程建模成本高，更傾向于理解成球效應(yīng)等缺陷形成機(jī)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(guò)體能量密度公式來(lái)確定合理的加工參數(shù)窗口。但隨著對(duì)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控，急迫需要對(duì)其進(jìn)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(yán)重的各向異性，研究人員期望將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶來(lái)提高其機(jī)械-力學(xué)性能，主要有以下四種方法：

(1) 對(duì)打印過(guò)程參數(shù)進(jìn)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(guò)程中引入原位軋制或超聲振動(dòng)處理，以外來(lái)能量輸入干涉熔融金屬液體的凝固過(guò)程，促進(jìn)等軸晶的形核與長(zhǎng)大；

(4) 熱處理，通過(guò)對(duì)成形部件進(jìn)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(cuò)胞行為的控制主要通過(guò)控制打印過(guò)程參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)在PBF過(guò)程中施加原位擾動(dòng)(如電磁攪拌)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀組織與成分偏析的控制。

來(lái)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。