顶刊《Acta Materialia》：揭示粉末扩散对激光粉末增材制造金属产品质量的影响机理

时间：2022-04-05 11:01 来源：材料学网作者：admin 阅读：次

        导读：本文进行了一系列粉末扩散和熔化实验，以研究扩散速度在激光粉末增材制造中的作用。在单层实验中，高速粉末扩散确实降低了粉末层的包装密度。然而，具有各种高粉末传播速度的立方样品的多层LPBF工艺是成功的，样品的缺陷更少，因此机械性能更好，特别是疲劳寿命，这违反直觉，以前从未报告过。研究发现，无论粉末扩散速度如何，实际粉末层厚度都会因粉末熔化过程中的收缩而逐渐增加，但总是在10层中达到稳定状态，其中沉积的致密层厚度等于名义粉末层厚度，从而达到相似的熔化条件和质量。这项研究对粉末传播速度在LPBF中的作用提供了前所未有的见解，并纠正了高速粉末传播总是不利的不准确直觉，这为提高LPBF的生产力和部分质量提供了更潜在的解决方案。
       激光粉末床融合（LPBF），也称为选择性激光熔化或直接金属激光熔化，是目前主要的金属增材制造技术之一，能够准确灵活地制造复杂的近网形金属零件。LPBF包括两个基本程序：粉末扩散和粉末熔化。在粉末扩散过程中，建筑平台降低一定距离（即标称粉末层厚度），金属粉末颗粒由刮板/滚筒铺在基板上。在粉末熔化过程中，根据CAD轮廓数据，使用高功率密度激光束选择性地熔化粉末床。重复这两个基本程序，直到零件完全制造出来。
         除了实现良好的机械性能外，高生产率是LPBF技术遇到的另一个突出挑战。由于加工效率相对较低，LPBF主要限于制造高端组件，最常见的是在航空航天和医疗行业。粉末熔化过程进行了大量研究，通过调整加工参数来提高制造零件的质量。在这些处理参数中，可以通过提高激光扫描速度、舱口间距和层厚度来缩短构建时间。然而，不良反应通常使零件质量下降。例如，随着线性激光能量强度的降低，激光扫描速度和舱口间距的增加可能会过度增加聚变缺陷的数量，如孔隙、裂纹和球状。使用更大层厚度的缺点是体积激光能量强度降低，这将导致缺乏融合和尺寸精度降低等不良特征。虽然可以通过增加激光功率来保持激光能量强度，以实现完整的粉末聚变，但在高激光功率下，金属蒸汽射流和钥匙孔的融合缺陷将是另一个问题。据我们所知，到目前为止，这种关于粉床质量与制造零件质量之间相关性很少被调查和验证。

新加坡国立大学联合华中科技大学进行了各种粉末传播速度的LPBF实验，以制造单层和立方样品。研究了已构建样品的孔隙度、力学强度和几何精度等性能。为了解释单层和立方样品制造质量之间的逆直觉差异，进一步制作了楼梯样品，以揭示逐层LPBF工艺背后的收缩和补偿效应。为了评估粉末传播速度变化的热条件的影响，我们设计并进行了粉末传播后操作延迟的LPBF实验，以确保不同粉末传播速度的冷却时间相同。这项工作旨在为“高速粉末扩散真的不利于LPBF的零件质量提高吗？”的问题提供全面的答案。相关研究成果以题“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 422002865#fig0008Is

1）对于给定的粉末层厚度，较高的粉末扩散速度会导致较低的填料密度和聚变比，对于前几层的制造来说，高扩散速度似乎是不可取的。然而，由于粉末床融合过程中的收缩，实际粉末层厚度逐层增加。实际粉末层厚度的这种增加逐渐提高了包装密度，从而提高了该层的融合比，这被称为补偿效应。在收缩和补偿的综合作用下，沉积致密层能够在大约10层内达到稳定状态，其厚度等于衬底的降低高度（即名义层厚度），即使采用更高的扩散速度。因此，样品可以以高粉末传播速度成功制造，机械性能可以稍微好一点。

2）通过提高扩散速度减少孔隙和裂缝等聚变缺陷，主要归因于层间冷却时间缩短。然而，热条件的具体影响因扩散速度而异，对显微结构（如相含量）取决于材料特性。

3）高速粉末扩散的一个主要缺点是降低了建筑方向的尺寸精度。在本研究中使用的粉末传播速度和激光能量密度中，激光扫描速度较大，恒定的激光能量密度可以增加粉末层的聚变比，从而减少高度偏差。

图1 实验：（a）LPBF设备；（b1）粉末扩散原理图和（b2）在基材上铺设的粉末床；（c）单层和立方试样的制造参数；以及（d1）楼梯试样的草图和（d2）一个制造的楼梯标本。

图2 Hastelloy-X合金粉末的单层实验。粉末传播测试的传播速度为20-240毫米/秒，标称层厚度为30微米：（a）相对填料密度ρP和（b）铺面粉末床的CLSM高度图。激光功率P为400瓦，扫描速度u为0.8米/秒的粉末熔化测试：（c）单轨和（d）单层横截面的光学显微照片。

图3 用Hastellaoy-X合金粉末制成的立方试样，传播速度V从20到240毫米/秒不等，标称层厚度HN为30微米，舱口间距为100微米：（a）用激光功率P为100～400 W，扫描速度u为0.1 ～1.1 m/s的立方试样；通过阿基米德方法测量（b1）所有立方体和激光功率为（b2）100 W、（b3）200 W、（b4）300 W和（b5）400 W的立方体的相对密度ρC。在（b1）-（b5）中，线性激光能量密度定义为λ = P / u，并以对数形式绘制。

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