激光粉末床聚变：技术、材料、性能和缺陷以及数值模拟的最新综述（3）
时间：2022-09-13 10:56 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
4.1.2 扫描策略的影响
不均匀热梯度的产生导致LPBF缺陷，如气孔、残余应力和较差的表面光洁度。扫描策略用于解决加热和冷却阶段的热梯度问题。一些研究人员设计了各种扫描策略，以产生几乎没有缺陷的完全致密的零件。一些被广泛接受的常见策略是单向、双向和孤岛/棋盘策略，如图17所示。一些策略是通过修改其中一些基本策略而开发的。单向策略是最简单的，但在其他方法中给出了最差的密度结果。
图17 不同类型的扫描策略。
图18显示了应用于AlSi10Mg的不同扫描策略。扫描策略A（单向）、B（双向）、C（沿扫描方向旋转900圈的双向重新扫描）和D（岛扫描）分别实现了99%、98.9%、99.4%和98.2%的相对密度。Dewidar等人将扫描策略分类为单层粉末熔化的标准扫描、对角线扫描和周长扫描（图19）。Su等人尝试采用不同的扫描策略来了解其影响（图20）。据观察，周长扫描策略没有给出相关结果，而对角线和标准扫描策略给出了几乎相同的结果。
图18 标准、对角线和周长扫描策略。
图19 不同的扫描策略：数字表示扫描顺序，箭头表示扫描方向。
图20 四种不同的重熔策略。
减少诸如孔隙率的缺陷的另一种替代方案是重熔。这只是在引入新的粉末层之前将同一粉末层熔化两次或三次。该步骤消除了表面缺陷和表面污染物以及任何氧化物。当其他参数不能达到全密度时，这也有助于获得更高的密度。唯一的缺点是它耗时耗力。为了避免任何残余应力或裂纹，建议在低能量密度下进行重熔工艺。还得出结论，致密化重熔取决于仔细选择其他参数。
AlMangour等人研究的另外四种TiC/316L重熔策略（图20）的相对密度分别为92.48%、96.04%、86.91%和96.40%。结果表明，通过采用策略I和策略II，重熔时实现了更高的致密化，但策略III的致密化程度低于策略I。还认为，相同方向的重熔产生了更严重的织构，而沿扫描方向旋转的重熔具有更好的织构结果。因此，强烈建议旋转重熔。
4.2.粉末参数对致密化的影响
LPBF工艺中使用的粉末的性能和质量在监控工艺稳定性和确定所生产零件的性能方面起着重要作用。当我们考虑粉末的特性时，通常会讨论粉末的尺寸、形状、成分、内部孔隙率和表面形貌。还考虑了物理变量，如表观密度（粉末可填充的程度）和流动性（粉末流动倾向的程度）。粉末形态是监测所有其他工艺参数的一个特征，如粉末的填充、流动性和热效应的性质。它们在选择工艺的层厚度和其他参数中也起着重要作用。
4.2.1.流动性、吸收率、反射率和电导率的影响
众所周知，铝粉末由于其低密度和非球形粉末而具有较差的流动性。这种较差的流动性使得沉积铝粉的任务非常困难，这是LPBF工艺的关键。此外，在雾化过程中形成表面氧化物，限制了试图使颗粒球化的表面张力。这导致流动性差。因此，应采用球形粉末，以实现更好的致密化和精度，因为球形粉末可改善流动性。另一个关键因素是粉末应无明显缺陷，如气孔，因为它们会导致颗粒之间的低融合，直接影响密度。粉末的尺寸也会影响细颗粒和窄颗粒，细颗粒和细颗粒倾向于聚集在一起并融合，与较大颗粒和粗颗粒相反。
SLM处理的Ti-TiB复合材料样品的显微CT图像，该样品由研磨（a）2的Ti–TiB2粉末混合物制备 h和（b）4 h、 研磨2小时的Ti-TiB2粉末混合物中的SLM处理的Ti–TiB复合材料样品的相对密度 h和4 h分别为99.5%和95.1%。
LPBF工艺的基本步骤之一是激光束与粉末颗粒的相互作用以及粉末对激光能量的吸收。吸收率（计算为吸收能量辐射与入射能量辐射的比值）在LPBF过程中给出准确结果起着关键作用。粉末层首先吸收表面上的激光能量，导致表面上的温度升高。然后热量开始流向颗粒的中心，导致热循环的发展。热传递一直持续到达到稳定状态，这也取决于周围粉末颗粒的性质。如果粉末在特定局部区域的吸收率不同，它将使粉末汽化。在红外范围内，铝具有高反射性。对于1毫米波长的激光，铝几乎反射了一切，只吸收了约7%的能量。尽管由于多次吸收和反射，整个粉末床的吸收将高于预期值，但必须提供高于计算值的激光能量，以克服反射率问题。此外，已经扫描的层和新的相邻颗粒之间的吸收率将不同。因此，在重叠轨道情况下会产生温度梯度，这可能会导致球化。
Al也因其高导电性而闻名。在这种情况下，热能供应迅速传导到附近已经扫描和固化的部分。这可能会产生多重影响。首先，与低导电性材料相比，将消耗更多的能量。高导电材料的熔体轨迹宽度将远大于低导电材料，因为热量从相邻区域传导出去。Mg具有高导电性和高反射率的特性。但是与固体基底相比，沉积的粉末具有相对较差的导电性。施加热量时，其流动缓慢，导致熔池过热。这会影响熔池的尺寸，并在粉末和固体之间产生密度差异。高导电性和反射率的另一个缺点是，控制和监控LPBF工艺具有挑战性。
使用2.5 W激光功率、1.0 mm/s扫描速率和0.15 mm扫描线间距的激光烧结HSS表面的SEM图像：（a）铣削M3/2–11；（b）水雾化M3/2–32；（c）水雾化M3/2–100；（d）气体雾化M2-117。
4.4.2.粉末原料
所生产部件中的持续缺陷产生、高材料成本和粉末原料缺乏一致性都是金属增材制造（AM）主流化的主要障碍。了解原料质量如何随着再利用而变化，以及这些影响如何建立机械性能，对于生产更可靠、复杂形状的金属零件至关重要。如果粉末颗粒与能量源接触，但未合并为AM组分，则它们可能会经历各种动态热相互作用，从而导致不同的颗粒行为。粉末进料质量在LPBF工艺中至关重要，因为该技术依赖于分布和选择性熔化的小粉末层来创建3D金属部件。颗粒形态、粒度分布、表观密度和流动性是用于评估增材制造中粉末质量的唯一参数。
最近的研究表明，这些策略可能不是最合适的。由于铝颗粒复杂的内聚行为影响其流动性，因此研究铝颗粒的难度加大。Muñiz-Lerma等人研究了粉末铺展密度、吸湿性、表面能、内聚功和粉末流变学以及常规粉末特性评估。根据这项研究，小颗粒的参与增强了湿度拾取，提高了总颗粒表面能和颗粒间的内聚力。这种冲击阻碍了粉末流动，从而阻碍了最佳印刷所需的均匀层分布。当球形颗粒更显著时，水分吸附、表面能和内聚性能降低。这一发现表明，有问题的粉末原料可以通过调整颗粒分布、尺寸和形状来调整LPBF。Santecchia等人报告说，回收建筑作业中未熔化的粉末对于使LPBF更具成本效益和环境友好至关重要。然而，需要对整个过程有更深入的了解，因为激光与粉末的相互作用涉及复杂的物理现象，并产生可能危及原料和最终结构部件完整性的副产品。Hupfeld等人报告称，在原料中添加纳米颗粒是调整原料材料性能以实现可打印性并获得所需打印部件性能的最终解决方案。
原始粉末和重复使用粉末在229x、457x和2290x放大倍数下的SEM图像。底部图像上的箭头表示重复使用时发现的平滑的重熔粒子。
4.2.3.颗粒形状、尺寸和分布对致密化的影响
由于完全熔化是LPBF工艺的关键目标，颗粒尺寸和形状的影响通常被认为价值较小。但在了解粉末性质（如形状、尺寸、表面形态、化学成分和尺寸分布）对SLS工艺的影响方面，已经做了大量工作。然而，更好的致密化总是增强LPBF结果，我们通常会尝试了解粉末粒度在增材制造过程中的影响，特别是SLS。
Olakanmi等人在对AL-Si进行激光烧结的工作中指出，粉末粒度和粒度分布对最终零件的致密化具有关键影响。有人指出，较小的颗粒很快烧结，颗粒之间的接触点会形成颈状，从而实现致密化。为了获得更好的粉末烧结，需要混合不同尺寸的粉末。然而，细粉末颗粒有助于增加堆积密度和烧结响应。小颗粒由于烧结而承受的应力比大颗粒大得多。因此，小颗粒非常容易产生缺陷。这也意味着较大的颗粒会限制小颗粒的收缩，从而导致大颗粒周围的开裂。不同尺寸颗粒在加工过程中的响应不同。较大尺寸的颗粒需要更多的时间和能量来熔化。因此，必须优化参数，以避免局部过热或部分熔化，从而导致孔隙度。尽管对于较低的激光能量密度值，小尺寸颗粒可以比较粗和较大颗粒提供更好的结果，但它们可以被屏蔽室中的气体吹走并粘附到表面。这干扰了下一个粉末床的分布。
原始粉末和重复使用粉末中γ奥氏体（蓝色）和δ铁素体（红色）区域的EBSD相图和逆极图。
Liu等人指出，粉末颗粒的形状也影响致密化过程。他们发现铝粉和氧化物层之间的热膨胀导致氧化物断裂。球形和不规则形状颗粒的断裂特征不同。Niu等人对水雾化角颗粒和气体雾化球形颗粒进行了实验。他们发现，气体雾化球形颗粒的SLS形成了均匀致密的单层。不规则形状的颗粒和高氧含量导致水雾化颗粒的多孔结果。Olakanmi等人研究了粉末性质对经历LPBF工艺的铝粉致密化动力学的影响。发现致密化动力学主要受所用粉末的氧化物组成、形状和密度的影响。Olakanmi等人认为，零件的表观密度和攻丝密度源自工艺过程中发生的热循环，可以通过使用不同尺寸的颗粒轻松控制。这种技术通常被称为双峰或三峰粉末分布。
4.2.4.合金元素对致密化的影响
Zhang等人进行了一项实验，以了解将镍作为合金元素添加到钨粉中的效果。对含10%、20%和40%（重量）镍的钛粉末进行LPBF工艺。结论是，镍的加入提高了钛镍合金的密度。Dadbaksh等人进行了类似的实验，以了解在不同的铝合金（如纯铝、AlMgSiCu和AlSi10Mg）中添加15重量%的Fe2O3。结论是，添加Fe2O3有助于铝合金的固结性能（图21）。这种添加也有助于降低孔隙率和氧化层破裂等缺陷。
图21 添加15重量%的Fe2O3对不同铝合金致密化的影响。
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