Acta Mater：激光粉末床熔融增材制造中縮孔的機(jī)理解釋

來(lái)源： 多尺度力學(xué)  

激光粉末床融合（PBF-LB）是一種增材制造（AM）工藝，能夠制造出接近凈形狀的復(fù)雜金屬零件。在PBF-LB工藝中，高功率激光選擇性地將金屬粉末薄層熔化并融合到先前沉積的層上，逐步逐層構(gòu)建3D零件。通過(guò)創(chuàng)建能夠識(shí)別最佳工藝參數(shù)（如激光功率和掃描速度）的工藝圖，PBF-LB工藝通常能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷很小的一致質(zhì)量零件。然而，在追求無(wú)缺陷零件的過(guò)程中，研究人員現(xiàn)在正在記錄所謂的“邏輯”缺陷，即使在使用優(yōu)化的工藝參數(shù)時(shí)，這些缺陷也會(huì)隨機(jī)發(fā)生。

來(lái)自美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系的William Frieden Templeton等人研究了718合金在激光粉末床熔融（PBF-LB）過(guò)程中縮孔的產(chǎn)生及其表現(xiàn)。縮松是金屬鑄件中一種常見(jiàn)的缺陷，會(huì)降低零件性能。在傳統(tǒng)的金屬鑄件中，Niyama準(zhǔn)則是預(yù)測(cè)縮孔形成的可靠啟發(fā)式方法。然而，Niyama標(biāo)準(zhǔn)在PBF-LB工藝中的適用性仍未得到探索，也沒(méi)有已知和評(píng)估的啟發(fā)式方法來(lái)預(yù)測(cè)PBFLB制造的零件中的收縮孔隙率。這項(xiàng)工作利用微觀結(jié)構(gòu)表征和分析傳熱模型，對(duì)PBF-LB工藝中縮孔形成的機(jī)理進(jìn)行了解釋。

圖1 凝固金屬中縮孔形成的說(shuō)明。（a） 枝狀凝固，具有足夠的熱梯度和冷卻速率。（b） 在過(guò)低的熱梯度和/或過(guò)高的冷卻速率下，枝晶之間的流動(dòng)通道被二次枝晶堵塞。（c-d）顯示合金718的PBF-LB樣品中收縮孔網(wǎng)絡(luò)的背散射電子顯微照片，激光掃描方向在框架內(nèi)和框架外，兩張顯微照片的構(gòu)建方向相同。

圖2 加熱窗實(shí)驗(yàn)示意圖。板左側(cè)的樣品具有平行于氣流方向延伸的熔體軌跡。板右側(cè)的樣品具有平行于反沖方向的熔體軌跡。

圖3 PBF-LB中的熔池圖，顯示了固相線和液相線溫度之間凝固前沿厚度d的變化引起的熱梯度G的變化。TE估值是計(jì)算熱梯度和冷卻速率的溫度。

圖4 收縮孔隙度隨工藝參數(shù)的變化。（a） 背向散射電子顯微照片顯示，在285 W 1000 mm/s樣品中，隨著沉積溫度的升高，孔隙率不斷惡化。箭頭指向顯微照片中確定的收縮孔。面積分?jǐn)?shù)表示含有收縮孔的顯微照片的百分比。（b） 收縮孔隙度低于頂層的重熔深度，這在制造零件中將成為永久性的。（c） 393K（左）和703K（右）沉積溫度下的激光功率和掃描速度過(guò)程圖。熔池深度提供了隨著沉積溫度從393K（左）增加到703K（右）而保持恒定幾何形狀所需的參數(shù)偏移的示例。

圖5 與凝固過(guò)程中的冷卻速率（*T）、熱梯度（G）和Niyama標(biāo)準(zhǔn)（Ny）相比，記錄的最大收縮孔隙深度。這些數(shù)量是在熔池的尾部計(jì)算的，剛好高于固體溫度。

圖6 實(shí)測(cè)SDAS、理論SDAS趨勢(shì)（*T-1/3）和最大收縮孔隙深度的比較。測(cè)量?jī)H限于孔隙率不超過(guò)頂層熔池以下的樣品，并且僅限于產(chǎn)生樹(shù)枝狀微觀結(jié)構(gòu)（即，不僅僅是細(xì)胞生長(zhǎng)）的樣品。誤差條表示SDAS測(cè)量的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。細(xì)胞顯微照片來(lái)自樣品18（350 W，1000 mm/s，艙口間距為110μm），樹(shù)枝狀顯微照片來(lái)自樣本2（350 W、750 mm/s，艙門間距為120μm）。兩個(gè)圖表中的p值都拒絕了零假設(shè)，即值之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

圖7 在縮松過(guò)程圖上疊加393K和703K下恒定冷卻速率的計(jì)算輪廓。8處的紅色輪廓𝑥包括105K/s以幫助在兩個(gè)沉積溫度之間進(jìn)行比較。

圖8 在本工作中實(shí)施的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，最低和最高沉積溫度下的收縮孔隙度和小孔孔隙度邊界。收縮孔隙度邊界表示向永久大塊零件收縮孔隙度的過(guò)渡。

圖9 顯示傳導(dǎo)模式和匙孔模式熔化之間差異的熔池橫截面圖。t0、t1、t2、t3表示凝固過(guò)程中在概念時(shí)間步長(zhǎng)處的凝固前沿的位置。在匙孔模式熔池的示例顯微照片中，注意凝固生長(zhǎng)方向的變化和收縮孔的相應(yīng)方向。

結(jié)果表明，Niyama準(zhǔn)則不能有效地預(yù)測(cè)縮孔的發(fā)生。此外，收縮孔隙的形成主要由凝固微觀結(jié)構(gòu)中的二次枝晶臂生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，其中在凝固過(guò)程中以高冷卻速率向細(xì)胞生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變通過(guò)去除孔隙形成的位置來(lái)減輕孔隙。這意味著基于凝固冷卻速率的啟發(fā)式方法可以可靠地預(yù)測(cè)縮孔的發(fā)生。為了便于實(shí)際使用，提供了縮孔工藝圖，用于工藝設(shè)計(jì)和控制，以直接幫助工藝規(guī)劃中的縮孔緩解。工藝縮孔關(guān)系結(jié)果還表明，PBF-LB制造中向更高沉積溫度和更高生產(chǎn)量的趨勢(shì)可能會(huì)加劇縮孔形成的條件，并進(jìn)一步提高本工作中提出的緩解策略的重要性。

相關(guān)研究成果以“A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing”為題發(fā)表在Acta Materialia（Volume:266,2024,119632）上，論文第一作者為William Frieden Templeton，通訊作者為William Frieden Templeton和Sneha Prabha Narra。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119632