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（1）(2)
时间：2022-09-09 15:26 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
图3是德国Lübeck SLM Solutions Group AG的新型SLM®机器NXG XII 600，该机器已正式推出，现已准备投入商业使。激光束粉末床聚变（PBF-LB）增材制造机具有12台1 kW激光器和600 x 600 x 600 mm正方形构建环境。据制造商称，NXG XII 600是市场上速度最快的调幅机，其制造速度比单个激光机快20倍，其技术特点包括变焦功能，以确保最大的生产率和可靠性。它旨在用于大批量应用的串行制造和大型零件的制造，为汽车和航空航天行业开辟了新的可能性，并为工业化串行AM铺平了道路。
图3 配备12台1kW激光器的新SLM机（NXG XII 600）。
1.2 激光束轮廓
在LPBF过程中，在激光-粉末相互作用过程中，整个粉末床的热强度分布被认为在大多数情况下遵循高斯光束模式。然而，整个表面的热分布是一个复杂的过程，受光束质量和激光波长等因素的影响。在以精确描绘实际光束的方式呈现激光-材料相互作用时，必须考虑到这一点。Soylemez使用高斯激光束模型来模拟LPBF处理Ti-6Al-4V合金的温度分布。图4显示了激光吸收效率值，它显示了来自模拟的熔池横截面图像。在模拟中，红色区域表示熔融区域，而黑色虚线表示从实验样品横截面的光学显微镜图像传输的熔池边界结果。图4（a）和（b）分别显示了100 m和260 m光束直径的结果。由于软件的后处理程序，熔池部分的等高线图在边界处具有不连续性。
图4 P=370W和v=800 mm/s时模拟和实验之间的熔池对比示意图。红色区域是模拟的熔池截面，虚线是相同工艺参数下实验横截面的熔池边界。（a） D=100μm，（b）D=260μm。
Ahsan和Ladani使用非高斯激光束模型来模拟温度分布、微珠几何形状和元素蒸发。他们将结果与LPBF处理Inconel 718合金的高斯光束模型进行了比较。比较了非高斯光束和高斯光束的热特性。高斯光束产生更局部化的温度分布，导致熔池中心更显著的温度升高。随着光束质量因子的加入，减少了光束焦点，注意到远离光束中心的热分布更加均匀。在最高温度低于高斯光束的情况下，使用非高斯光束获得的温度分布与观察到的温度分布更具可比性。摄像机无法在较低温度范围内测量温度，导致实验数据在较低的温度范围内出现峰值。
Shi等人将高斯（圆形）和椭圆（横向和纵向）激光束形状用于316L不锈钢的LPBF工艺。已经看到，椭圆形横向激光束产生的宽光束宽度与通过成核过程产生等轴晶粒的可能性相关。在轨道开始时，柱状开发很难避免。无热输入时的生长形态由熔池宽度和深度以及热过冷度决定。根据研究人员的说法，对微观结构控制的局部光束成形物理的这一基本理解应该对未来复杂的光束形状设计和光束调制产生影响。Iveković等人使用实验和数值方法研究了哈氏合金-X的LPBF工艺中的微观结构和裂纹缓解。通过考虑两种不同的激光束分布（高斯和顶帽），模拟了LPBF过程。
2 LPBF：一个突出的AM过程
LPBF是使制造业发生革命性变化的AM工艺之一，因为它允许制造复杂部件以降低成本、时间和劳动力。它可以在不使用工具、铸件或传统制造方法的情况下制造复杂形状。LPBF工艺对于理解操作参数与最终零件性能之间的关系至关重要。LPBF是一种粉末床融合方法，其中粉末床被扩散，预定区域暴露于高强度激光能量。这样，粉末可以按照CAD软件中准备的设计逐层熔化和熔融。这个名字本身就说明了这个过程。术语“激光”表示过程中使用激光能量热源，“熔化”表示粉末正在熔化，“选择性”表示只有粉末床的选择性部分受到热源的影响。
PBF系统布局通常包括一个激光源、一个建筑平台、一个输送粉末的自动系统、一个控制系统以及一些补充部件，如滚轮、刮刀等。高强度激光束的移动和聚焦由光束偏转系统监控，该系统包括电流镜和平场聚焦透镜。总的来说，通过LPBF生产零件的各个阶段可分为以下几类：（i）在CAD软件中设计和建模要生产的3D零件，然后以规定的层厚将模型切成所需的层数。（ii）将基板固定在构建平台上，这是沉积层的基准面。（iii）将构建室移动到保护性气体中，主要是氮气和氩气，以最小化表面氧化的风险。（iv）根据预定义的层厚度，将第一层铺展在构建平台上。（v）然后，激光器以预定路径扫描粉末床，以按照CAD软件和设计的模型的命令制造逐层形状。（vi）降低建筑平台并重复最后两个步骤，即铺展粉末床并多次扫描，直到生产出成品零件。LPBF机的部件如图5所示。
图5典型LPBF机器示意图。
在LPBF中，粉末颗粒通过以激光束形式提供的热量完全熔化成焊珠，这与焊接工艺的原理类似。因此，这是一种沉积焊接工艺。LPBF过程中发生了几种物理行为：反射、相变、吸收、传热、凝固、化学反应、熔融金属的运输或熔融金属在熔池内的流动。由于光能转化为热能而形成熔池，最终由于表面张力，熔池采用圆形或分段圆柱体的形状。由于粉末床和激光器之间的相互作用时间非常短，形成了温度高达105OC的瞬态温度场，随后，在冷却速度高达106-108OC/s的情况下，也发生了快速淬火效应。快速凝固的结果是建立非平衡冶金现象，如细化微观结构、固溶体硬化和亚稳相的生成，这可以改善生产零件的机械性能。
LPBF方法的主要目的是制造完全致密的零件。获得这种结果的困难在于，LPBF过程中没有任何机械压力，流体动力学也仅受重力和毛细力控制。缺乏机械压力会导致元素在凝固过程中溶解，从而导致轨道不连续熔化，并产生不良和不均匀的表面。LPBF过程中材料经历的热波动的高度变化增加了快速凝固层中的残余应力。由于非常高的加热和冷却速率，热影响区（HAZ）在熔池周围产生。该热影响区可改变材料的微观结构和成分，从而控制所生产零件的质量。处理参数可以在任何时刻控制热行为。这些是图案填充间距、层厚度、扫描速度、激光功率和扫描策略。图6显示了LPBF工艺中的工艺参数。所选参数允许粉末完全熔化并与前一层完全融合。这些参数的不当选择可能会导致不希望的影响，如热裂纹、成球和孔隙度，或指示其他不希望的效果。因此，必须在这些参数和输出结果之间建立关系，以优化处理参数以实现期望的结果。
图6 LPBF处理参数示意图。
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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