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(4)

3D打印科研前沿
2022
09/13
16:38
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来源:长三角G60激光联盟

导读:这篇综述主要解释了LPBF工艺的基本原理、几个相互关联参数的科学和技术进展、原料材料、生产性能/缺陷,以及数值模拟的见解,以虚拟地理解工艺行为。本文为第三部分。

5.1.1.工艺参数对微观结构的影响

Cherry等人报告,LPBF工艺参数的影响显著影响316L不锈钢零件的微观结构和物理性能。材料硬度在125 J/mm3的225 HV达到峰值,并与孔隙率成比例,较高的孔隙率导致较低的材料硬度。从低激光能量密度下的小球特征到高激光能量密度时的小球和大小球特征的混合,发现了几种导致凸面图案的颗粒聚结类型。总孔隙率受激光能量密度的影响。Song等人研究了工艺参数对选择性激光熔化Ti6Al4V的微观结构和机械性能的影响。以110W的激光功率和0.4m/s的扫描速度进行选择性激光熔化,对应于连续熔化机制,可以产生具有高显微硬度和光滑表面的优异Ti6Al4V零件。密度非常大,可以与大块Ti6Al4V合金密度相比较。Bang等人研究了激光能量密度对采用LPBF技术制造的不锈钢316L(SUS316L)零件的微观结构、机械性能和化学成分的影响。随着能量密度的增加,拉伸特性随着晶粒膨胀而下降,加速溶解提高了轻元素浓度。

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不同工艺参数产生的单轨(顶部)和横截面Ti6Al4V零件(底部)的OM显微照片:(a)120 W,0.2 m/s,(b)110 W,0 0.4 m/s,和(c)110 W、1.2 m/s。

随着轻元素浓度的增加,硬度增加,破坏行为从韧性断裂转变为脆性断裂。由于使用LPBF制造铝合金的困难,许多铝合金在机械特性和微观结构方面尚未被广泛研究。研究了激光功率、阴影间距和扫描速度对LPBF生产的铝2024合金(AA2024)的机械性能和显微组织性能的影响。结果表明,几乎无裂纹的结构具有高相对密度(99.9%)和阿基米德密度(99.7%)。

5.1.2.热处理对微观结构的影响

生产后热处理方法在细化零件微观结构和改善其机械性能方面非常重要。在钛合金中,热处理工艺、退火或热等静压处理(HIP)、热机械加工的主要目的是将α′马氏体晶粒转变为α+β晶粒。退火和HIP是最常用的工艺,因为它们在发出完全致密的零件时对齐。已经指出,这两种工艺在钛合金的情况下实现了其目标。考虑到此类热处理工艺,零件的最终微观结构受温度、热循环和停留时间之间的关系影响。

5.1.1.1.温度的影响

LPBF生产的零件的微观结构在决定其机械性能方面具有重要意义。微观结构由不同层之间的界面能、动力学和热力学因素(如局部应力和润湿性)定义。温度对微结构的形成有相当大的影响。已经进行了各种研究以了解温度对合金特性的影响。对于钛合金,有人认为,在非常高的温度下退火得到的结果具有优异的延展性和断裂韧性。Wu等人研究了温度对Ti64的影响。温度范围设定为300-1020℃。在600℃以下,建筑结构几乎没有变化。在750℃至990℃之间,针状结构开始退化。超过1000℃时,原始β晶粒完全转变为等轴β晶粒。类似地,在另一个使用Ti64的实验中,随着温度的升高,β晶粒的体积增加(图23)。在热处理之前,很容易观察到先前的β晶粒,但在热处理之后,先前的β被转化并且不再可见。这显示了晶粒结构的广泛增长。在另一项研究中也发现了类似的结果。

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图23 热处理时LPBF构建的Ti64的微观结构。(a)(b)在亚透热处理后,以及(c)和(d)在超透热处理之后。

据指出,马氏体分解是平衡强度和延展性的因素。随着温度的升高,延性提高,而屈服强度和极限强度降低。但在Al-Cu-Mg的情况下,随着热处理温度的升高,微观结构变得更粗糙。在这种情况下,极限抗拉强度、屈服强度和伸长率似乎在温度下增长。如果温度进一步升高,则拉伸强度降低。这是因为颗粒的分布和尺寸不再有助于强化晶粒,因为淬火后的饱和度较低。

5.1.1.2.传导和锁孔状态

高功率受控激光束用于LPBF增材金属制造。熔池的深度通常由其下方固体物质中的热传导控制。然而,在某些情况下,熔化机制可以从传导转变为“小孔模式”激光熔化。在此阶段,金属的蒸发控制熔池的液位。在小孔模式激光熔化中的熔池深度可以比在传导模式中看到的熔池深得多。此外,金属蒸发产生的蒸汽腔塌陷可能会在激光束后留下一系列空隙。

对于LPBF,发现主要的工艺制度,如小孔和传导模式熔化,是线能量和强度的函数。纵横比直接取决于这两个复合变量;因此,所得熔池的形状随时间变化。Gargalis等人使用直接微量热法研究了LPBS中纯铜的加工行为。他们报告说,在LPBF环境中与激光束相互作用时,小孔熔化制度和加热、熔化、沸腾和蒸汽形成行为的演变对于可预测和可重复的铜沉积至关重要。

图24描绘了在540W的最大激光功率下随着扫描速度的增加裸铜表面的熔池演变。白色箭头表示氧化物。在对样品进行横截面和抛光后,发现了氧化物颗粒,这表明在金相制备过程中形成了氧化物。熔池的形成被证明是高度不稳定的,当处于锁孔状态时,吸收率值的显著波动触发了爆炸行为。Chen等人报告说,使用非原位样品表征和计算热流体动力学(CtFD)建模来探索作为传导、过渡和小孔区域中预热温度的函数的熔池形状修改,以及图25、26、27和28所示的每个区域中的潜在机制。在500°C下,实验熔池深度在传导区增加49%,在过渡区增加34%,在小孔区增加33%。相反,每个区域中熔池宽度的变化并不都呈增加趋势,而是取决于熔池区域。根据经证实的CtFD模拟,较高的预热温度增加了小孔区域的蒸发质量、反冲压力和激光钻孔效应,导致更深的熔池。由于较高的流速和强烈的反冲压力加速了反向流动,模拟表明,提高熔体轨迹温度显著延长了熔体轨迹长度。

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图24 背散射模式下的SEM图像,显示了随着扫描速度的增加,在裸铜衬底从传导到键孔的过渡区域中,540W激光功率的深熔池的演变;从图a)到e),扫描速度以100mm/s的间隔增加,白色虚线显示熔池边界;注意最后一张显微照片中的刻度大小差异。

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图25 导电状态下熔池形态随预热温度的变化。

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图26 传导状态下熔池尺寸与预热温度的关系(P=250 W,V=1.5 m/s):(a)深度、(b)宽度、(c)纵横比,以及(d)100°c、(e)300°c和(f)500°c预热温度下实验和模拟熔池的比较。

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图27 锁孔状态下熔池形态随预热温度的变化。

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图28 锁孔状态下熔池尺寸与预热温度的关系(P=250W,V=0.5m/s):(a)深度、(b)宽度、(c)纵横比以及(d)100°c、(e)300°c和(f)500°c预热温度下实验和模拟熔池的比较。

5.1.1.3.停留时间

停留时间只是热处理过程中样品保持在最高温度的时间段。Plaza等人研究了热处理对Ti64微观结构的影响。对具有不同停留时间的若干样品进行热处理(退火);炉将其冷却至760℃,然后对其进行空气冷却。通过比较在相同温度下但不同停留时间下退火的样品,发现停留时间越长,晶粒越细,延展性越高。Vracken等人也证实了类似的结果。图29显示了两个在940℃下热处理20小时的样品。图像显示了α晶粒的有限生长,但它逐渐转变为等轴晶粒,如箭头所示(图29 b)。在AlSi12的另一种情况下,与传统方法(如铸造)相比,更长的停留时间为LPBF制造的零件提供了更好的结果。

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图29 940℃下(a)2小时和(b)20小时热处理钛合金的微观结构。

5.1.1.3.冷却速率

LPBF非常适用于用金属粉末制造零件,热循环,特别是冷却速率,在控制微观结构行为方面起着巨大作用。冷却速率决定了金属零件中的晶粒尺寸偏析。但更快的冷却速率会限制该过程中的特定物理,从而导致热力学不稳定相。由于微观结构由冷却速率监控,我们可以说零件的性能也由其监控。因此,必须在参数和冷却速率之间建立牢固的关系,以开发具有良好性能的特征。据指出,仅研究能量输入不足以理解冷却速率对金属粉末的影响。体积能量密度不能预测熔池的准确行为。

5.2.机械性能

5.2.1.抗拉强度

LPBF工艺制造的零件与传统方法(如铸造)的屈服强度比较表明,LPBF制造的零件具有优异的强度。其原因在于,当少量熔融材料快速凝固时,零件是如何在LPBF工艺中制造的。由于该工艺,在零件中可以看到更细的晶粒和微观结构。在合金中,在LPBF期间,合金元素的偏析可以忽略不计,导致更均匀的成分和更高的强度。在Wei等人对LPBF制造的AZ91D进行的实验中,注意到激光能量输入显著影响样品的拉伸性能。他们发现,随着激光能量输入的减少,制造零件的屈服强度和极限抗拉强度也会大幅下降。这种行为的原因是由于激光能量供应不足导致的低密度部件。

由于LPBF制造机制依赖于逐层添加技术,因此层的构建方向在决定零件的拉伸强度方面也起着重要作用。在平行于拉伸方向进行激光扫描的情况下,观察到的拉伸强度高于在垂直于拉伸长度的方向上进行扫描的部分。观察到,当制造和横向扫描Br-Ni的LPBF试样时,其拉伸强度高于纵向扫描的试样。原因是短矢量扫描的结果更好。短扫描矢量比长扫描具有更大的吸收净能量的能力。影响拉伸强度的另一个因素是层厚度。Agarwala等人发现,对于LPBF制造的Br-Ni零件,当层厚度减小时,拉伸强度迅速上升。结果表明,当层厚从500μm变化到200μm时,拉伸强度从35MPa增加到约60MPa。

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激光沉积Ti-6Al-4V试样的示意图,(a)X方向上的沉积表面(水平取向),(b)Y方向上的沉淀表面(横向取向),以及(c)Z方向上的沉积物表面(垂直取向)。

5.2.2.硬度和耐磨性

该实验的主要结果是,如Buchbinder等人所建议的,高扫描速度和激光功率不会影响零件的硬度,其中扫描速度的增加会增加硬度。众所周知,残余应力是缺陷,因为它们降低密度并引发裂纹和孔隙。但Mercelis等人和Gu等人认为,如果能够管理密度和裂纹,并且如果残余应力保持在合理的水平,则可以提高零件的硬度。LPBF制造的零件具有良好硬度特性的另一个原因是零件在加工过程中经历的快速凝固。这有助于晶粒细化和形成更好的微观结构。因此,COF(摩擦系数)也降低,提高了零件的耐磨性。

Gu等人试验了扫描速度对COF和耐磨性的影响。当使用100mm/s的扫描速度从CP-Ti制造零件时,COF达到1.41的最大水平,并增加了磨损率。表面上的一些松散碎屑和凹槽表明变形和磨损(图30a)。当使用200mm/s的扫描速度时,COF降低,磨损率也降低。现在存在较浅的凹槽,没有任何松散碎屑的迹象(图30b)。当COF和磨损率达到最小值时,实现了300mm/s的最佳扫描速度。当使用400mm/s的扫描速度时,形成了塑料粘合层,从而降低了磨损率(图30c)。Jain等人也证明了这一点。当使用大于400mm/s的扫描速度时,观察到更多的剥落和分层(图30d)。这再次增加了COF和磨损率。Gu等人得出结论,由于低扫描速度下的强烈致密化和缺陷,实现了较低的硬度值。随着更好微观结构的形成,硬度增加,但在较高扫描速度下仍然容易受到微层间孔的影响。由于液体粘度低、液体寿命长以及由此产生的热应力增强,低扫描速度和伴随的高激光能量密度的组合导致了微观球化现象和层间热微裂纹的产生。另一方面,由于Marangoni对流导致的液体不稳定性增加,他们使用了快速扫描速度,导致液体凝固前沿混乱,并产生显著的球化。

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图30(A)900J/m和100mm/s、(B)450J/m与200mm/s、(C)300J/m、300mm/s和(D)225J/m及400mm/s下LPBF制造的钛零件表面的SEM。

研究表明,激光能量密度可以显著决定加工零件的硬度。硬度值与能量密度间接成比例。由于较高的冷却速度,较低的能量密度导致较小的晶粒形成,硬度也受到晶粒尺寸的影响。Chelbus等人在Ti-6Al-7Nb上研究了LPBF中内置部件的方向对硬度的影响。他们证明,面积和搭建平台越大,试样高度越小,硬度越高。这是由于特定微结构的形成。总的来说,这表明零件的硬度值受热历史、微观结构和工艺参数等因素的强烈影响。

5.2.3.延展性

延展性通常以牺牲强度为代价并入部件中。通常,在LPBF工艺中,在延展性和强度之间进行权衡。因此,所有用于提高所生产零件强度的优化参数将最终降低该零件的延展性。导致强度提高并同时降低延展性的一些主要措施是快速凝固、陡峭的温度梯度和小体积区域的更快冷却速率。工艺参数对提高零件的延展性有很大影响。尺寸颗粒的相对密度和分布也影响延展性。给出低密度的参数导致低韧性零件。

5.2.4.疲劳

LPBF零件暴露于重复循环应力会导致零件疲劳,这是最常见的故障之一。LPBFed零件的疲劳在很大程度上取决于是否存在任何气孔或裂纹。由于应力集中和承载能力降低,层间孔隙的存在导致动态强度降低。Wang等人对LPBFed FeNiCu合金进行了研究,以了解最终导致疲劳失效的裂纹萌生模式及其扩展。他们发现,层间或表面上含有孔隙的区域是裂纹萌生点。研究还得出结论,孔隙率是影响疲劳性能最显著的因素。为了改善LPBF零件的疲劳性能,有必要消除工艺缺陷,如气孔、氧化物形成和其他表面缺陷。较大尺寸、数量巨大且位于表面附近的孔隙,疲劳强度极低。氧化物和部分熔化或未熔化的粉末颗粒也降低了疲劳强度。孔隙率和残余应力的存在使得理解后表面加工对零件的影响具有挑战性。然而,有人指出,机械加工有助于提高疲劳强度。

Brandl等人研究了LPBF处理的AlSi10Mg,以了解温度、热处理、构建方向和疲劳性能的响应。观察到粉末的热处理和加热导致更好的微观结构发展和更少的裂纹萌生位置。这增加了延展性和抗疲劳性。然而,建筑方向对疲劳性能的影响最小。粉末床的加热降低了冷却速率并导致更少的缺陷,从而导致更好的疲劳性能。许多研究已经证实,表面上或表面下的孔隙是裂纹萌生的主要原因。这是由于局部应力产生和表面形成的不连续性。图31和32显示了试样的裂纹萌生位置和强制断裂区域的SEM图像。图32(b)显示了未经过任何硬化过程且具有韧性断裂的样品。还指出,峰值硬化样品具有与任何粉末床温度和构建方向无关的断裂行为周期。

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图31 LPBFed AlSi10Mg的表面,粉末床温度为300℃,构建方向为00,峰值硬化,显示(A)裂纹萌生位置和(B)强制断裂区域。

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图32 LPBFed AlSi10Mg的表面,粉末床温度为300℃,建造方向为00,竣工显示(A)裂纹萌生位置和(B)强制断裂区域。

在LPBF工艺中,工艺参数的变化可以产生一组全新的特性,如晶粒尺寸和形状、相组成和微观结构,以生产定制零件。经历LPBF工艺的零件的热历史在很大程度上决定了微观结构特征。热循环可包括高加热和冷却速率、温度梯度、温度上升等。当激光器和材料之间的相互作用时间增加或使用非常高的激光能量密度时,形成粗糙的微结构。结果是,它产生过热的熔池和升高的表面温度。这也会导致更长的凝固时间,并降低温度梯度和冷却速率。当调整参数以提供足够的激光能量密度时,过热熔池的产生受到限制,温度梯度产生更快的冷却速率。在这种工艺中制造出更精细的晶粒。但这些参数不倾向于更高的致密化。生产后热处理方法在细化零件微观结构和改善其机械性能方面非常重要。

与传统方法制造的零件相比,LPBFed零件显示出优异的屈服强度。这是由于基本的LPBF工艺方法,其中一次熔化非常少量的粉末,暴露于快速凝固,并在整个过程中提供更精细的微观结构。许多研究人员发现扫描间隔对样品硬度没有影响。LPBF零件具有良好的硬度,因为该零件经历快速凝固,从而产生精细的微观结构。此外,延性通常是以拉伸强度为代价实现的。LPBF零件暴露于重复循环应力会导致零件疲劳,这是最常见的故障之一。零件的疲劳寿命在很大程度上取决于不可避免缺陷的存在,如裂纹和气孔。

6.LPBF工艺缺陷

所有AM工艺,包括LPBF工艺,都是现代制造方式。这些方法有很多优点,但也有挫折。LPBF也不例外。LPBF工艺的输出结果取决于各种相关参数,这使得优化工艺具有挑战性,并使零件易于出现缺陷。此外,还需要做大量工作来克服所有缺陷,并通过LPBF工艺生产无缺陷产品。

6.1.成球

由于粉末床中存在松散粉末,LPBF制造零件表面的典型微观结构导致了成球。当液态熔融相材料被分解成微型球体以最小化表面能时,这只是小颗粒的累积。另一个定义是,当液态熔融金属与基材或基底金属接触不良时,根据最小表面能原理,由于表面张力,液体被分解成小球。这个过程只不过是一个称为balling的缺陷。当提供低能量密度、低功率、大层厚度和高扫描速度时,这些球形球体聚集在一起形成称为成球区域的大熔池。成球区域影响表面光洁度并使其变差。它还会在加工零件中产生许多气孔,甚至可能损坏辊子,影响下一层的分布。

通常,成球现象是由于熔融金属的飞溅和熔融金属的润湿性差。文献还指出,熔池有两个不同的部分。上部为熔融液相中的粉末,下部为熔融基体或基材。空气-液体或上部的气液界面促进了球体的形成,下部试图限制上部的倾向(图33,图34)。如果上部的数量在熔池中的熔融基材部分越来越少,则可以消除上部导致成球的倾向。因此,提供高能量密度可在熔池中产生更多熔融基材,并可减少成球。此外,高能量密度可导致高温,降低液相粘度。这将增加液相的流动性和润湿性,进一步减少成球。但是,如果能量密度太高,则会导致变形和成球。这是因为产生了残余应力。过量的能量也会导致金属的蒸发。由于能量过大,气相突然引入,在熔池中产生非常大的反冲压力,导致金属以射流形式逸出。这种射流被分解成微小的液滴,从而导致成球。此外,熔池附近的未熔化粉末飞溅开。

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图33 熔融基质较少而熔融基质金属较多的成球现象。

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图34 LPBF中的液滴飞溅导致成球。

在图35中可以看到大量微米级的球形球体和飞溅物。它显示了在LPBF期间Mg-9%Al粉末出现的成球缺陷。当使用非常高的扫描速度时,激光能量密度突然下降,导致不稳定的熔池形成。这种不稳定的熔池具有毛细管不稳定性,这降低了小尺度下熔融相的表面能,并减少了小尺寸液滴从液体表面的飞溅。此外,由于形成不连续的熔体轨迹,成球导致表面粗糙。解决球化现象的一种方法是通过降低扫描速度或增加激光功率来减少熔池的不稳定性。增加接触面积/宽度或减小长宽比可以稳定熔池。

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图35 工艺参数选择不当导致的成球效应。

来源:Laser Powder Bed Fusion: A State-of-the-Art Review of the Technology, Materials, Properties & Defects, and Numerical Modelling, Journal of Materials Research and Technology, doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.07.121

来源:Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang, Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties, Progress in Materials Science, 92 (2018), pp. 112-224, 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001

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