激光粉末床熔合增材制造缺陷结构工艺流程图（1）(2)

时间：2022-01-28 15:12 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

3.结果与讨论
3．1. Ti-6Al-4VLOF孔隙边界的预测及μSXCT验证
LOF孔隙度由大的、形状不规则的孔隙可识别，这些孔隙对机械行为特别有害。它们通常含有未融化的粉末颗粒。这些缺陷通常是由于不正确的工艺参数选择、激光束波动、表面气体流动和原料特性，导致粉床中并非所有位置都被熔化。对于ti - 6al - 4v加工参数的研究，可以很容易地发现LOF孔隙率在P-V空间中占据了如图1所示的低激光功率、高激光扫描速度区域。这一行为与其他研究结果一致，即低功率输入或低能量密度是LOF孔隙度的主要来源。注意，图1只包含了具有140 μm开口间距的样品，在本工作中，这个值被用来估计缺陷(孔隙)边界。此外，140 μm的开口间距将是本工作的重点，当讨论缺乏熔合、锁孔和气孔的过程窗口。

图1 EOS LPBF Ti-6Al-4V缺陷结构过程图(DSPM)显示了缺陷形态在P-V空间上的系统性变化。通过在有效的“过程窗口”内保持在LOF边界以上和钥匙孔边界以下，可以通过过程变量的选择成功地减轻大规模缺陷。

最近对LOF孔隙度的研究证实了这一发现，尽管具有相同的能量密度，但使用不同工艺参数生产的LPBF材料的相对密度可能相差5%，这表明能量密度本身并不是孔隙度形成的可靠预测指标。对lpbfalsi10mg的研究也支持这一观点，指出单凭能量密度准则无法持续预测孔隙度。如果舱口间距增大，层厚减小相同比例，能量密度保持不变。在几何模型中，关键参数是相对于层厚的最小熔化深度(相邻熔体池之间的重叠深度)。与能量密度一样，最小熔化深度不依赖于缺口间距和层厚。这可以通过选择大于熔体池宽度的舱口间距很容易看出。熔化的最小深度为零，任何层厚都将发生熔合不足的情况。然而，相对较小的层厚仍能保持恒定的能量密度值。因此，本研究采用Tang等人所描述的简单几何模型预测ti - 6al - 4v测试块在P-V空间内的LOF孔隙度边界，如图2所示。材料熔化不足的几何判据，因此LOF孔隙率可在公式1中得到。

图2 用于确定LOF孔隙边界的样品根据LOF准则和相应的缺陷密度绘制。为了避免LOF孔隙不规则，熔池重叠和重叠深度必须遵循几何准则。重要的是，熔池重叠(H/W)应为<1，重叠深度(L/D)也应保持<1。

其中W为熔池宽度，L为切片层厚度(也为熔池层厚度，假设粉末填充比例为50%)，D为熔池总深度。表1给出了计算中使用的参数值。假设熔池形状为半圆形，熔池宽度(W)估计为罗森塔尔计算的熔池深度(D)的两倍，即W = 2*D。该模型假设双半圆形熔体池截面形状，中心距等于开口间距H(如传导方式熔体)。

根据Rosenthal 方程，通过微分和近似可以估算熔池深度D，即：

这里,D是熔池深度(作为½熔池宽度为半圆形的形状),Q是激光功率,ɛ吸收率,e是自然对数的基础,密度ρ,Cp是比热容,V是激光扫描速度,Tmelt融化温度,T0是初始温度。本分析中使用的LPBF Ti-6Al-4V的值为Q = 170 W，ɛ= 0.48，ρ =4430 kg/m3, Cp = 526 J/ kg·K， (Tmelt - T0) =1610K[20]。值得注意的是，当应用于具有高导热性和较低扫描速度的材料时，推导这个封闭形式解的特定假设可能会影响这个方程的有效性。熔池尺寸是在激光扫描速度和功率相同的情况下估计的，用于制造测试块。之前计算这些工艺参数的熔体池尺寸的工作都是基于实验结果，而本文的目的是提供分析计算熔体池尺寸的方法，并表明相对简单的方程可以很好地预测LOF孔隙度。
利用估计的熔体池宽度，确定ti - 6al - 4v测试块在P-V空间的LOF边界，例如图1中将试件1、4、6和7与试件9分隔开的虚线。μSXCT结果显示，样品9内部存在较大的、不规则的LOF缺陷，该缺陷位于图1中估计的LOF边界以下。图2显示了根据公式1绘制的熔体池几何值，即(H/W) vs (L/D)。图2中的实线表示(H/W)2 + (L/D)2)的值等于1。对于远小于1的值，几何模型假设可以实现完全重叠，从而减少LOF孔隙的出现。相反，当值接近并超过1时，LOF孔隙率是预期的。几何模型还假设(H/W)2 + (L/D)2)值在离1更远的地方减小(或增大)，LOF孔隙度将继续减小(或增大)。这可以从样品1、4、6和7的μSXCT结果中看出(见图2)。

样品7的(H/W)2 + (L/D)2)值与样品1相似，而样品4和6的(H/W)2 + (L/D)2)值与样品1相比有所降低，不规则缺陷含量也有所降低。随着(H/W)2 + (L/D)2)值的降低，不规则缺陷含量似乎也减少了，如图2所示。样品6具有最小的(H/W)2 + (L/D)2)值和体积%的不规则LOF孔;因此，试样9具有最大的((H/W)2 + (L/D)2)值和最大的不规则LOF孔隙体积%。这一趋势在所有样品的舱口间距值为140 μm时都可以观察到(图2)。

来源：Defectstructure process maps for laser powder bed fusion additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2020.101552
参考文献：J.A. Slotwinski,E.J. Garboczi, K.M. Hebenstreit，Porositymeasurements and analysis for metal additive manufacturing process control，J. Res.Inst. Stand. Technol., 119 (2014), p. 494, 10.6028/jres.119.019

(责任编辑：admin)

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