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)

3D打印科研前沿
2022
09/13
10:20
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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。


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。

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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。

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图18 标准、对角线和周长扫描策略。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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图21 添加15重量%的Fe2O3对不同铝合金致密化的影响。

Wang等人研究了合金元素X(Cr、Mn、Mo、Ni、Si)对选择性激光熔化形成的TiC/316L不锈钢复合材料中TiC(001)/γ-Fe(001)界面稳定性的影响。Cr4、Mn4、Mo4、Ni1和Si1界面模型的粘附功、键长、层间距离和电学性能表明更有利于提高界面结合强度,并且Cr-、Mn-、Mo-掺杂界面比其他界面更稳定。合金原子的掺杂由X1和X4结构表示,但仅在不同的晶体位置。因此,在TiC中添加Cr、Mn、Mo、Ni和Si将加速Fe的异相成核,增加TiC的异相形核电位,并提高TiC/316L不锈钢复合材料的界面结合强度。Wei等人研究了锌含量对Mg-Zn二元合金致密化行为、微观结构和力学性能的影响。Mg7Zn3的数量随着Zn浓度的增加而同步增加,而其形态逐渐从粒状变为网状。根据硬度和拉伸试验,只有Mg-1Zn试样具有与铸态试样相同的机械质量。随着Zn浓度的增加,LPBF处理合金的机械特性显著降低,这是由于致密化程度的恶化。Kimura等人研究了硅(Si)含量(Si=0、1、4、7、10、12和20质量%)对使用选择性激光熔炼制备的AL-xSi二元合金的致密化、机械和热性能的影响。极限抗拉强度和极限应力随着硅含量的增加而增加,而伸长率和导热率则下降。随着硅含量的增加,更多的硅结晶相归因于这些机械性能。

4.3.替代参数

4.3.1.大气条件

在LPBF过程中,大气中存在氧气,尤其是金属,可能会造成灾难性后果,因为它会形成氧化物,也会导致成球。因此,控制LPBF工艺气氛非常重要,这样可以避免不期望的反应。受控气氛还可导致一些期望响应的启动。例如,向Al中添加氮以形成AlN可防止氧化并提高尺寸稳定性。Wu等人研究了氧含量对钛合金Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C微观结构的影响。保护气体用作氩气,氩气保护室内的氧气浓度低于5ppm。结果表明,在空气中加工的零件的显微组织具有较大的枝晶状结构,且较粗。同时,在屏蔽气氛中生产的零件具有均匀分布的细晶粒。Schaffer等人对铝及其合金烧结的大气条件进行了研究[266]。他们指出,真空、氮气、氩气和氢气通常用作保护气体。结果发现,对于AL-Mg-0.5Si-0-2Cu合金,氮气的处理效果更好,而AL-4.5Cu-0.5Mg-0.2Si在真空屏蔽室中的处理效果更佳。指出产生差异的根本原因是工艺后的冷却速率不同。

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原始粉末和重复使用粉末中fccγ奥氏体(蓝色)和bccδ铁素体(红色)区域的EBSD相位图和逆极图蒙太奇图。

4.3.2.致密化行为和工艺变量

致密化行为和加工参数之间关系的讨论可以集中在激光能量密度上,这只是参数变化的组合。通常,观察到随着激光能量密度值的增加,观察到具有最小孔隙的光滑表面。这是因为液相更好地熔化和流入空隙。扫描速度的降低为激光束相互作用和粉末提供了更多的时间,从而导致完全熔化,从而获得更好的密度。当扫描线彼此靠近时,随着液态熔融金属的流动和分布增加,密度也随着舱口间距的减小而增加。较高的层厚度将导致缺乏用于粉末床完全熔化的激光能量密度,而较浅的层厚度会增加生产和成本时间。因此,需要计算最佳层厚度以平衡两个极端。粉末性质也影响致密化行为。粉末的质量由尺寸、形状、表面形态、成分和内部孔隙率以及物理变量(如流动性、吸收率、反射率和热导率)决定。此外,在LPBF处理过程中保持气氛受控非常重要,因为它可以防止不期望的反应并减少金属表面上的氧化物,从而导致诸如球化等缺陷。

5.LPBFed零件的特性

5.1.微观结构

LPBFed零件中的微观结构由短冷却循环控制。快速凝固和定向凝固为LPBFed零件提供了更精细的组织。还可以通过控制工艺参数来监测相组成、相百分比和晶粒尺寸。基于产品质量的性能在很大程度上取决于其制造过程中经历的热循环。热过程包括高冷却和加热速率、大温度梯度、突然温度升高等。LPBFed零件的最终微观结构主要取决于高凝固速率。

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截面中重复使用颗粒的TEM EDS图。

所有工艺参数,包括层厚度、扫描速度、阴影间距和激光功率,都强烈影响微观结构的发展。已经进行了许多研究,以了解工艺参数对工艺冷却速率以及随后对所形成的微观结构的影响。Do等人和Han等人研究了激光能量对LPBF处理的Ti64微观结构发展的影响。这两项研究工作表明,在所有激光能量值下存在马氏体结构的结果相同。观察到随着激光能量密度的增加,冷却速率降低,马氏体晶粒尺寸增大。特别是,还观察到,激光能量密度的增加减小了α′的宽度和它们之间的间距,但增加了柱状晶粒的宽度。对Ti-6Al-V4进行的许多LPBF研究表明,柱状的α′马氏体晶粒先于β。产生这种微观结构的主要原因是选择工艺参数,使冷却速率大于410K/s。还观察到,对于镁加工零件的微观结构,由于高速和低功率,较低的能量密度导致了较高的冷却速率,导致了更精细的晶粒。通过降低速度和增加功率,可以产生较低的冷却速率和较粗的晶粒。

除了改变工艺参数外,形成的微观结构的性质还取决于激光和粉末之间的相互作用时间。相互作用周期和激光能量密度之间的这种关系导致温度梯度(G)、凝固速率(R)和冷却速率。观察到,增加G/R比使树枝晶形成倾向于细胞状树枝晶晶粒。此外,更高的冷却速率支持更高过冷度的概念,从而产生更精细的晶粒。因此,不同热循环的这些速率控制形成的微结构的类型和规模。过热的熔池高温表面在激光和材料之间的相互作用时间较长的情况下形成。由于低扫描速度或高激光功率,这也可能导致高能量密度。这种条件也会增加基础温度。这导致温度梯度减小并降低冷却速率,从而产生较粗的微观结构。

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EBSD逆极点图和相位图:a)焊接熔池飞溅颗粒,b)AM熔池飞溅粒子,c)激光扫描颗粒,d)激光扫描粉末扩散。(蓝色:γfcc,红色:δbcc)

与此相反,当改变参数以提供低激光能量密度时,不会发生过热。保持平均温度梯度,并且适当的冷却速率形成更精细的晶粒。工艺参数还控制熔池的几何形状。当激光能量密度刚好足以熔化粉末时,由于高表面张力而形成圆柱形几何熔池。如果前一层或基底层被预热或部分溶解在多层中,则会影响冷却速率和微观结构。

在LPBF工艺中,由于具有高蒸气压的元素的蒸发,成分和微观结构可能发生变化。这也增加了未因溶质捕获现象而蒸发的元素的百分比。在高温梯度下,合金元素的均匀分布得到改善。这是由于被称为马兰戈尼效应的效应。还应注意,LPBF工艺中使用的激光器的类型和模式也会影响微观结构的发展。在连续和脉冲模式下处理镁粉末。当使用恒定波时,形成完全再结晶的晶粒。但当使用脉冲模式时,观察到颗粒的不完全生成(图22)。这是因为脉冲模式下的凝固速率高于连续模式下的固化速率。此外,在脉冲模式下,没有足够的时间使颗粒重新排列和排列以达到平衡。在连续模式下形成的晶粒的平均尺寸高于在脉冲模式下设置的晶粒。与其他增材制造方法相比,LPBF采用更小的激光光斑尺寸和更小的层厚度。这涉及小的熔池形成,并导致更精细的晶粒。层厚度单独不影响微结构的发展,直到它与其他参数的变化相结合。但是,Salvani等人观察到,层厚度直接影响氧含量并控制微观结构变化。需要进一步的研究来预测不同情况下不同材料的微观结构。

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图22 具有连续和脉冲模式激光的LPBFed零件的微观结构。

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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