如何计算金属3D打印零件的理想工艺参数-下篇
粉末床激光熔化（LPBF）是一种多用途的增材制造工艺，可直接从CAD文件生产出复杂的金属零件，无需昂贵的模具， 并且能够最大程度减少材料浪费。选择用于熔融和固化金属粉末的工艺参数至关重要，因为合金的热反应会影响其完整性和强度。正确选择适合所加工材料和特定零件的参数是加工成功的关键，尤其是在批量生产应用中。 雷尼绍（Renishaw）增材制造应用总监Marc Saunders 阐释了如何计算金属增材制造 (AM) 零件的理想工艺参数，探讨了粉末床激光熔化工艺参数选择的考量因素，以及这些因素如何定义“操作窗口”，并分析了加工过程对零件几何形状变化的灵敏性，这也是在进行零件3D打印时需要针对具体应用选择特定参数的原因。上篇探讨了粉末床激光熔化工艺的熔融特性及其对零件密度的影响。本期，将分享本文的下篇，包括：固化与微观结构，最优激光工艺，扫描线距离，层厚，为什么需要安全系数，标称和特定参数集。
最优激光工艺
固化与微观结构
对于金属零件的性能特征形成而言，最关键的是固化过程。固化过程决定微观结构，进而形成材料特性。许多合金很复杂，可能在不同的温度和构成下以多相形式存在，因此不会一次全部固化，而且通常也不会在焊道内均匀固化。在容易散热的位置冷却速度非常快，并且大部分热量会从熔池中传导到周围的固态金属中。而相对较少的热量会散发到附近的未熔融粉末中， 或者通过辐射散发到加工舱中。
图9 冷却的树枝晶体在“糊状”区域发生应变，产生固化裂纹。来源：雷尼绍
随着熔融金属冷却下来，熔池外部区域的温度也下降到液相线温度以下，这时合金的一个或多个相将开始固化。熔池的外边缘会形成蜂窝状树枝晶体，并向中心生长。残余的液相滞留在这些初级树枝晶体之间，在达到其更低的熔点时才会固化。对向的蜂窝状树枝晶体生长前沿形成了单独的晶界，剩余的液相也会在晶界中聚集。冷却过程会在这些蜂窝状和晶界区域施加应变， 通过某些材料中的“热撕裂”或固化裂纹过程，可能会产生不应该存在的孔隙。如果不同相的固化温度差异很大，就会出现最糟糕的情况。正如所见，熔池的尺寸、持续时间和冷却速度很重要，因为这些因素决定材料的热反应。持续时间较长的熔池冷却速度较慢，会产生比较粗糙的微观结构，晶粒更大，树枝晶更厚。相比之下，较小的熔池冷却速度较快，可形成较为精细的微观结构。
图10 选区激光熔化（SLM）态镍基合金中形成的柱状晶粒（左），从图中可以看出细长晶粒沿加工方向排列，而且跨越多层。此外，还有一些固化裂纹和晶界裂纹。序后热处理可以闭合这类孔隙，而且还可以修改微观结构以产生更多的等轴晶粒，从而形成更标准的材料属性。来源：雷尼绍
较深的熔池也会导致已固化的金属发生更大程度的重熔，进而影响其微观结构。较高的激光功率会导致形成更长的柱状垂直晶粒，每个晶粒都跨越多层。由于较深的熔池与下方的金属固体有较大的接触面积，因此更多的热量向下传导，导致在垂直方向上形成更多晶粒。这会造成垂直与平行加工方向的机械特性差异加大。
最优激光工艺
因此，雷尼绍团队决定计算出一种理想的速度和功率组合，以形成深度、宽度和持续时间最优的熔池。也就是说，以最优能量加工零件。找到正确的组合，即可降低孔隙率，形成满足材料特性和生产力要求的微观结构。一种办法是计算“能量密度”，即施加到单位体积材料上的能量。能量密度恒定时，激光功率和扫描速度成反比。因此，在P-V坐标系中，能量密度轮廓线从原点辐射，同时密度与轮廓线的梯度相关。
图11 X即为这种材料的最佳加工点。来源：雷尼绍
针对所选择的材料和层厚，存在一个最佳能量密度，这个密度能够实现最高的加工效率和最准确的微观结构。在选择工艺参数时，我们希望在增材制造设备的激光和聚焦光学组件的能力范围内，尽可能远离边界避免冒险进入球化区间。从而实现最优的材料特性和生产力。在图11中，“X”即为最佳加工点。
扫描线距离
上文的分析中缺少一个关键因素：扫描线距离。上文的示意图中假定扫描线距离是固定的，因此能量密度仅由激光功率和扫描速度决定。
图12 能量密度公式。来源：雷尼绍
事实上，扫描线距离可以独立于功率和速度而变化，而且还会影响能量密度。因此，通过改变扫描线距离可以沿多条P-V轮廓线保持相同的能量密度。因而可以通过许多不同的方式施加相同的能量到加工层上。下图中橙色箭头所示的所有三个轮廓线具有相同的能量密度。例如，如果采用较高的功率/速度比（即我们选择更接近深孔形成区的较陡的轮廓线），则可以通过增加扫描线间距来保持能量密度恒定。这样是可行的，因为如果用穿透性更强的激光束形成更宽、更深的熔池，那么可以在确保所有扫描线彼此相融的前提下， 增加扫描线之间的间距。
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