钢的激光粉末床熔炼综述：工艺、微观结构、缺陷和当前挑战和未来趋势（1）
时间：2022-10-10 09:51 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
激光粉末床熔合工艺被视为最通用的金属增材制造工艺，已证明其可在较短的时间内制造出接近净形状的相对密度高达99.9%的几何复杂高性能金属零件。钢和铁基合金是用于结构和子结构应用的最主要的工程材料。3500多个等级的钢的可用性及其广泛的性能，包括高强度、耐腐蚀性、良好的延展性、低成本、可回收性等，使其在其他金属材料中处于领先地位。然而，由于以下原因，钢和铁基合金的LPBF工艺尚未完全在工业应用中建立起来：（i）对加工条件的了解有限，（ii）缺乏具体的材料标准，以及（iii）缺乏足够的知识来关联工艺参数和其他技术障碍，例如从设计模型到实际组件的尺寸精度、零件可变性、有限的原料、人工后处理等。本综述旨在概述LPBF工艺中使用的钢和铁基合金的关键工艺参数，描述与凝固过程中的相变和微观结构演变密切相关的热物理现象，重点介绍冶金缺陷及其潜在控制方法，以及各种后处理的影响。所有这些都直接影响到机械性能。最后，总结了LPBF加工钢和铁基合金的功能特性及其应用前景。本综述通过识别现有文献中缺失的信息，为了解钢的LPBF工艺奠定了基础。
图形摘要
1，简介
自成立以来，钢和铁基合金一直是结构和子结构应用的主要工程材料。钢材已经成为我们日常生活的一部分，它们对我们社会的重要性通过它们的大量应用得到了广泛的体现。这些应用包括航空航天、汽车、医疗、机械、核反应堆、海洋/石油和天然气、造船、食品和运输、电子和消费应用。据世界钢铁协会（World Steel Association）统计，根据其应用，生产了3500多种不同等级的钢材，包括独特的物理、化学和环境性能。多种等级钢材的可用性提高了其一系列性能，包括更高的强度、更高的耐腐蚀性、良好的延展性和韧性、低成本和几乎100%的可回收性等。
LBM生产的马氏体时效钢试样在480°C/5 h时效期间的再奥氏体化。原子探针层析成像（APT）测量的位置（a），以及（a）中所示元素Ni、Co、Mo和Ti（b）沿圆柱体的浓度分布。
在钢家族中，低碳合金不锈钢（SS），尤其是316L SS，由于其成本低、易于加工、耐腐蚀性好以及即使在恶劣的工作条件下也具有优异的韧性，已成为应用最广泛的类型之一。良好的耐蚀性、较高的强度和较高的机械性能的出色结合是马氏体钢的重要特征。马氏体钢，如沉淀硬化（PH）钢（17-4PH和15-5PH），主要用于航空航天、化学、石化、食品加工、一般金属加工、石油天然气、发电厂和注塑行业。良好的耐蚀性与较高的硬度、屈服强度和延展性、良好的焊接性和耐磨性相结合是工具和模具制造业所必需的，工具钢满足这一标准。金属AM工艺中最常用的工具钢是无碳马氏体时效钢（18Ni-300）。除了优异的高温拉伸性能外，抗蠕变性和良好的抗冲洗性使氧化物弥散强化（ODS）钢成为高温涡轮叶片和换热器管应用的理想候选材料。钢的分类及其应用如图1所示。除了主要钢类别外，LPBF工艺中使用的一些研究较少的钢类型包括马氏体钢、TRIP/TWIP钢、硅基（Fe-Si）、镍基（Fe-Ni）和钴基（Fe-Co）合金钢、中国低活化马氏体（CLAM）钢等。
图1 各种钢的分类方案。
1.1.审查范围
本文主要通过回顾LPBF工艺中使用的钢和铁基合金来填补事实上的空白。首先，讨论了LPBF过程中的热物理现象、相变凝固、冶金缺陷的形成及其潜在控制方法的基础。其次，综述了显微组织、磨损和表面纹理特征、机械性能。此外，还列举了LPBF处理钢构件后处理的意义。特别是，我们重点批判性地回顾了典型的LPBF工艺参数对形成的绝对影响；（i）微观结构的不同类型（尺寸、形态），以及（ii）与工艺相关的冶金缺陷。本文还描述了当前的技术现状、技术挑战和未来趋势，特别强调AM、AM技术的预测及其在各个工业部门的应用。
铁矿石电解。
我们有意不讨论所有类型的AM过程的细节，而是将我们的审查仅限于LPBF过程。然而，其他AM工艺，如电子束粉末床熔合(EPBF)，定向能沉积(DED)工艺同样能够制造大量的钢。同样，这篇综述主要局限于常用的钢和铁基合金;绝大多数的参考文章是关于钢的LPBF工艺的。除了极少数情况外，其他金属合金的常规工艺或其他AM工艺都被引用过。此外，这篇综述没有广泛涵盖其他类似/不同金属合金或金属基复合材料(MMC)的AM。讨论所有这些问题会进一步延长审查的时间。
1.2.文章的组织
本文的目的是为读者提供一个批判性的概述，以便深入了解各种钢的LPBF工艺。本文首先介绍了钢材、AM、LPBF及其各自的应用。第2节描述了重要的工艺参数，以及影响LPBF工艺中相变和微观结构演变的复杂热物理现象。第3节详细讨论了各种钢材LPBF处理过程中出现的缺陷形成、潜在控制方法和常见问题。第4节旨在严格检查微观结构、磨损和表面纹理特征、机械性能，即硬度、抗拉强度、，以及不同组合工艺参数下钢材LPBF的疲劳性能。第5节研究了后处理对LPBF处理钢的影响。最后，第6节强调了总结和未来的范围。因此，希望本次审查将有助于了解LPBF技术的现状、科学知识差距以及推进和扩展钢的LPBF工艺所需的研究。
1.3.增材制造中的钢材及其应用
目前，用于结构和汽车应用的钢材大多采用铸造、挤压和粉末冶金等传统方法制造。这些传统工艺生产的产品已被广泛使用，但仍存在许多问题。其原因与铸造工艺冷却速度较慢导致微观结构更粗糙有关，与固有特性（孔隙率、零件收缩）相关的缺陷可能同时存在，从而共同消除机械性能。此外，由于一系列独立的过程（材料制备、生产和组装），采用标准工艺制造钢材非常耗时，因此灵活性较低。随着制造业的广泛发展，必须特别关注钢构件的结构性能要求。AM中结构部件的复杂功能梯度材料（FGM）的成分制造具有节省时间、成本和灵活性的更大优势（见图2）。
图2 增材制造（AM）关键特征及其优势之间的关系。
更重要的是，AM工艺降低了与其他传统焊接和连接技术相关的重量和应力集中系数。尽管事实如此，AM工艺中仍存在一些传统制造问题，但对比分析表明，AM工艺或LPBF工艺已成功制造出无缺陷（与工艺相关的冶金缺陷数量最少）的优质零件，与铸造等传统工艺相比，具有优异的机械性能。较高的强度归因于（AM工艺诱导的）细化微观结构（枝晶、胞状晶粒）和快速凝固过程中产生的潜在高位错密度的综合作用。随着技术继续呈指数级发展，制造过程不再仅仅是生产实物产品。为了满足消费者需求、产品性质以及生产和供应链经济的变化，必须进行根本性的转变。使用先进机器学习算法、附加传感器和连接性的数据驱动模型能够将传统制造业革命为智能制造业。通过利用智能和稳健的AM技术制造智能钢产品，该技术具有设计师设计的表面形貌和机械性能、高密度和尺寸精度、近净形状零件以及降低后处理要求，将成为未来的主要研究和开发目标。
AM工艺被划分为一系列技术，在这些技术中，材料被添加，而不是被移除以生产最终产品。与传统的制造工艺不同，传统的制造过程需要通过各种方式减去材料的一部分，将材料成形或雕刻成所需的最终部件。AM被认为是一种直接制造技术，除了降低材料消耗外，它还可以自由地通过外部和内部布局，用由金属、聚合物、陶瓷和具有复杂特征的复合材料组成的材料制造零件。AM工艺中使用的材料可以是粉末、线材、片材等。AM工艺通常用其他术语描述，如增材制造、增材技术、增材层制造、层制造、固体自由形式制造和自由形式制造。
具有相同放大率的EBSD定向图，显示（a）S5.1（b）S16.1表面法线的微观结构；（c）S5.1、（d）S16.1的表面平行度和（e）S5.1
N、（f）S5.1 P、（g）S16.1 N和（h）S16.1 P的反极图。注：“N”和“P”分别指正常表面和平行表面。
在许多AM工艺中，LPBF工艺是目前最受欢迎的粉末床熔炼方法，用于制造金属材料。根据SmarTech Publishing最新的金属AM报告“2018年金属粉末增材制造”，LPBF技术是使用最多和研究最多的AM方法之一。AM技术的预测一直在推动硬件、材料和软件带来的行业收入。据预测（根据沃勒2020年的报告），2020年的收入增长将达到160亿美元，2024年将达到408亿美元（见图3）。
图3 AM行业增长预测（沃勒报告2020）。
金属AM技术以其独特的应用吸引了许多研究人员和行业。近年来，金属AM被用于制造医疗器械（牙科修复、医疗植入物）、航空航天和军事应用、汽车工业和消费应用的终端产品（见图4a&b）。AM还通过生产备件和翻新受损部件，将其业务范围扩展至飞机维修和运输领域。
图4 （a）基于Wohler 2019年报告的AM应用的类别和（b）工业部门。
1.4.钢的激光粉末床熔炼工艺
激光粉末床熔化工艺也称为选择性激光熔化，它使用高功率激光束选择性地熔化后续粉末层中的预定义轮廓。熔融金属池通过冷却迅速凝固。每层中的选定区域通过激光束熔化，形成最终零件的3D横截面。因此，降低底层构建平台，然后使用粉末涂布器/刮水机构沉积另一层粉末。此循环将连续重复，直到构建三维实体对象。去除并回收未熔化粉末，整个过程在充满大气气体（氩气、氮气）的腔室中进行，以避免氧化（见图5）。
图5 LPBF流程示意图。
LPBF工艺的一些应用如图6所示。LPBF制造的产品具有更高的密度和精细的微观结构，这有助于获得优异的机械性能、优异的表面质量和尺寸精确的最终零件。这种分层生产方法为LPBF工艺提供了一种优于传统工艺的优势，使具有复杂装配、更高生产率、更少设计迭代和更快地将新产品/原型引入市场的详细内部特征的整合零件能够迅速制造功能性最终使用产品。同时，LPBF过程经历了复杂的热力学和传热机理。在打印过程中，扫描轨迹的表面光洁度不可控且不可预测，最终会影响LPBF产品的最终质量。原料材料的氧化、工艺引发的复杂热物理现象期间产生的不可避免的热残余应力是最常见的问题。从设计模型到实际零件的尺寸精度是LPBF技术面临的另一个问题。尽管已建成的LPBF组件可以直接用作功能部件，但在制造独立部件之前，需要解决上述固有问题，这应该能够克服，使广泛采用的LPBF技术成为一种可行的制造工艺，具有可靠性、可扩展性和高通量。
图6 各种LPBF生产的金属零件应用；（a）矫形植入物，（b）汽车转向节，（c）发动机安装冷却通道，（d）飞机发动机叶片，（e）方程式学生赛车发动机。
激光与金属粉末的相互作用通常导致形成较小尺寸的熔池，长度约为0.9–1.4 mm，深度约为0.16–0.63 mm，宽度约为0.12–0.38 mm，具体取决于各种LPBF工艺参数。由于激光束的快速移动，冷却速度可以达到103–108 K/s，这同样取决于LPBF的加工参数、所用材料的类型及其各种物理和化学性质。如此高的冷却速度有时会阻碍合金元素的晶粒长大和偏析。随着Marangoni对流的混合和搅拌作用，以及颗粒堆积结构的形成机制，熔融金属池中形成了薄的、连续的和独特的亚稳定胞状微结构，有时甚至是非晶微结构。
LPBF生产的组件通常在不同长度尺度上显示各向异性微观结构。各向异性微观结构通常是由快速凝固过程通过传导、对流和辐射沿散热方向形成的。LPBF处理组件的质量取决于选择正确的参数组合。图7显示了LPBF工艺参数的广泛范围，这些参数可解释最终影响LPBF零件最终质量的复杂物理现象。这些参数的汇总分为输入参数、工艺物理和输出。在LPBF过程中，有150多个参数需要考虑，这里没有详细讨论。然而，讨论了一些最重要的工艺参数（激光功率（LP）、扫描速度（SS）、填充间距（HS）和层厚（LT）、大气室气体和压力）及其对LPBF钢各种物理和机械性能的影响。在设计参数图中，输出表示LPBF加工产品的最终质量，如零件几何形状、微观结构、机械性能、缺陷、表面粗糙度等。
图7 LPBF工艺的详细工艺设计参数。
众所周知，如上所述，LPBF加工零件的微观结构主要表现出显著的各向异性。例如，在不同方向上建造的组件，即平行（例如水平）或垂直（例如垂直）于基板，经历了不同的热历史，从而导致各向异性的机械性能，以及不同的表面纹理（光洁度）。舱口间距和斑点尺寸之间的比率对影响LPBF产品质量的工艺稳定性起着重要作用。选择较小的舱口间距，由于熔融熔池中的热量积累和缓慢冷却过程，形成了连续的薄层。相反，即使选择了较大的舱口间距，结合异常高的能量密度和提高的处理扫描速度，也能生产出完全致密、高质量的LPBF产品。较低的能量输入或较大的层厚会导致熔体轨道层之间能量输入穿透不足（以实现有效重叠），从而导致未熔合（LOF）或未熔合孔缺陷的形成。同样，在相对较低的扫描速度和固定或较高的激光功率下，能量输入较高，导致热应力和小孔孔隙度缺陷较高。较高的能量输入导致较大的温度梯度，再加上较大的热残余应力，常常会导致热裂纹。相反，在相对较低的激光功率和较高的扫描速度下，所提供的低能量输入不足以完全熔化周围的粉末颗粒（通过润湿），从而形成球状缺陷。
同样明显的是，较高的能量密度降低了产品尺寸精度，使工艺优化变得困难，这可能导致试样尺寸和缺陷之间的折衷。根据已经发表的研究，采用更高的层厚会导致相对密度降低。因此，LPBF层厚度与扫描速度的组合会影响显微硬度。选择厚度超过0.1 mm的层将导致弯曲和倾斜LPBF建筑表面出现楼梯缺陷。除了进行物理实验外，LPBF过程的计算建模对于优化过程参数至关重要。这些模型还有助于预测熔融熔池的复杂温度场、微观结构的发展、残余应力、变形、翘曲等。一些研究人员试图将LPBF制成钢的实验和建模结果关联起来。
激光跟踪有或没有表面张力。功率为150 W, D4Sigma = 54 μm，扫描速度为5m /s的激光轨迹在3D图(a和b)中显示为172
μs，在二维图(c和d)中显示为在轨迹中心切割的薄片。粉末层长1 mm，宽200 μm，厚1层。它位于100
μm厚的衬底上。表面张力不包括在(b和d)中。温标是线性的，从红色的熔体温度开始，一直到蓝色的室温。红色表示温度大于或等于熔体温度。黑色直线是基材z
= 0的表面水平。
对不同类型的钢和铁基合金进行了LPBF研究，主要是为了检查合适的工艺参数，这些参数适合获得完全致密的高质量部件及其生成的微观结构。然而，主要关注的是工艺洞察力和工艺参数（每个参数或组合）对物理和机械性能的确切作用的操纵，因此，通过LPBF工艺制造的工程零件的工业标准的合规性还没有得到很好的确立。确定受工艺设计参数影响的机械性能和表面粗糙度也非常重要，这有助于预测LPBF部件的质量和服务。由于各种冶金缺陷的形成，使用未优化的LPBF工艺参数会导致机械性能较差。通过选择合适的最佳工艺参数组合，可以生产具有相对较高密度、精细结构和良好表面质量的机械性能良好的产品。
除了最关键的LPBF工艺参数外，金属粉末特性（颗粒大小和颗粒分布、堆积密度）在决定最终零件质量方面起着重要作用。在这个领域已经进行了大量的研究[。Sperings等人研究了三种不同粒度分布（PSD）和不同层厚对LPBF不锈钢表面质量和机械性能的影响。发现PSD D50为15.2μm和28.26μm的较小钢粉需要较小的热量输入，以达到99%的零件密度，而PSD D60为37.70μm的钢粉需要较少的热量输入。这是由于较小的颗粒容易熔化，然而，较大的颗粒有助于在失效前经历较高的伸长率。作者得出结论，PSD不仅影响零件密度，还影响表面质量和机械性能。Liu等人报告了类似的结果。他们证实，较小的粉末颗粒显示出更好的流动性，从而产生更高的密度、良好的表面质量以及更好的强度和硬度。
Azizi等人通过尺寸、分布、流动性和密度测量，研究了粉末回收对粉末特性的影响。作者报告称，原始粉末和回收粉末之间的流动性仅存在差异，而其他特征，如PSD、相均匀性和化学成分保持不变。Coe等人最近检查了具有广泛能量密度的不锈钢LPBF的单模和双模PSD。值得注意的是，PSD D50L为36.31μm的双模粉末的抽头密度略高于单模球形粉末（2%）。此外，双峰粉末利用更高的激光功率（>203W）达到99%的相对密度。此外，竣工双峰粉末零件显示出略高的硬度。然而，双峰粉末的流动性较差。
不锈钢裸板上激光轨迹的横截面显微照片。
就像LPBF加工过的钢一样。各种钢、铁基粉末被用作前驱体材料，但仍有许多不确定的基体有待研究。例如，对于不同类型的钢粉，最适合不同LPBF加工窗口的理想或通用的粉末粒度分布是什么?各种钢材粉末特性的普适性与加工包络线之间的相关性，以获得具有优异机械性能和优良表面质量的高密度零件，是一个绝对需要探索的有趣领域。
来源：A comprehensive review on laser powder bed fusion of steels: Processing, microstructure, defects and control methods, mechanical properties, current challenges and future trends, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.033
参考文献：A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing, Renew Sustain Energy Rev, 50 (2015), pp. 594-614
(责任编辑：admin)
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