香港理工大學頂刊綜述：增材制造粉末基金屬和合金中的多尺度缺陷

來源：材料學網

導讀：缺陷形成是粉末基金屬增材制造的關鍵挑戰(zhàn)。目前對金屬增材制造缺陷的形成機理、影響及控制方法等三個重要問題的認識應予更新。本文對增材制造金屬和合金中的多尺度缺陷進行了鑒定，并首次將其分為幾何相關缺陷、表面完整性相關缺陷和微觀結構缺陷三類。特別是，微觀結構缺陷進一步分為內部裂紋和氣孔、織構柱狀晶粒、成分缺陷和位錯胞。討論了多尺度缺陷的根本原因。簡要介紹了多尺度缺陷的檢測方法和建模方法。綜述了多尺度缺陷對機械性能的影響，特別是對金屬部件的拉伸性能和疲勞性能的影響。對相應的缺陷的各種控制和緩解方法，包括工藝參數控制、后處理、合金設計和混合增材制造技術，進行了總結和討論。從研究方面，從多尺度AM缺陷的三個重要方面識別并描繪了當前的研究差距和未來前景。

由于增材制造（AM）技術提供了出色的設計自由度，因此可以基于預定義的計算機輔助設計（CAD）模型，輕松地逐層制造具有復雜幾何形狀的組件。各種增材制造技術已被開發(fā)并被廣泛采用，用于設計和制造關鍵工業(yè)應用的高性能組件，包括航空航天、醫(yī)療和汽車領域。金屬、陶瓷、聚合物和生物工程組織等材料可以通過特定的增材制造技術進行加工。特別是，在過去的幾十年中，由于金屬增材制造技術具有無與倫比的生產難以制造的金屬部件的能力，因此在過去幾十年中，由于與鑄造，加工和成型等傳統(tǒng)制造技術相比，金屬增材制造技術的發(fā)展做出了重大努力。目前，流行的金屬AM技術是粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）。

在金屬增材制造工藝中，金屬和合金通常以粉末或金屬絲的形式制備，作為原料，通過使用激光或電子束熔化，然后固化成最終形狀。簡而言之，PBF工藝通常涉及連續(xù)的粉末床的選擇性熔化或燒結。有兩種主要的PBF技術，即激光粉末床聚變（LPBF）和電子束熔化（EBM），其中能量源分別是激光束和電子束。根據粉末的熔化條件，LPBF可進一步分為選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）。顧名思義，這些PBF工藝具有粉末床作為材料支撐，因此它們能夠在不傾斜或旋轉底板的情況下制造懸垂結構和復雜的幾何形狀。另一方面，DED技術直接將原料沉積到能源產生的熔池中。粉末或電線可以用作原料，激光，電子束甚至電弧是當前選擇的能量源。通常，配備粉末進料裝置和激光器的DED工藝稱為激光增材制造（LAM）或激光工程網成型（LENS）。送絲DED方法包括線弧增材制造（WAAM），線材和激光增材制造（WLAM）以及線和電子束增材制造（WEBAM）工藝。由于原料的沉積在固化的前一層之外沒有材料支撐，DED通常不能制造高度復雜的部件。

金屬增材制造部件的性能高度依賴于其表面質量和微觀結構特征。影響表面質量和微觀結構的主要因素包括材料特性、設計相關因素、工藝參數和系統(tǒng)設置。不適當的工藝配置可能會在最終的AMEd組件中引入缺陷，例如孔隙和裂縫。根據目前關于金屬AM的文獻，在AMMed金屬部件和結構中鑒定出尺寸范圍從毫米到納米的多尺度缺陷。多尺度缺陷分為三大類，即幾何形狀相關缺陷、表面完整性相關缺陷和微觀結構缺陷。特別是，我們首先將紋理柱狀晶粒，成分缺陷和位錯細胞分類為微觀結構缺陷，因為它們在AMEd組分中的普遍性及其對AMEd組分的性質和性能有顯著影響。

為了獲得滿意和合格的力學性能，應通過實驗和模擬，全面了解各種缺陷的形成機理、其對力學性能的影響以及相應的控制和緩解方法等三個重要問題。最近，有一些關于金屬AM工藝和由此產生的缺陷的最新綜述工作，然而，大多數相關的工作在上述AM缺陷的三個問題方面存在缺陷。這些綜述工作的缺點包括對各種缺陷的分類不完整，對缺陷形成缺乏透徹的了解，缺乏對缺陷或其控制方法的影響的討論，以及僅限于某種材料或AM技術。

在本文綜述中，粉末基增材制造技術是重點，特別強調了LPBF工藝。香港理工大學、西北工業(yè)大學、香港中文大學等人提出了粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類，澄清了各種缺陷形成的潛在機制。討論了關鍵因素在原材料、幾何設計、工藝參數或/和系統(tǒng)設置方面的影響�？偨Y了AM缺陷的破壞性和非破壞性檢測方法。為了預測和進一步了解缺陷的形成，簡要介紹了多尺度AM缺陷建模的當前進展。總結并討論了每種缺陷對AMEd組件的拉伸性能和疲勞性能的影響。從材料，幾何控制，工藝參數的原位操作，后處理或合金設計和混合AM技術等方面闡明了每種缺陷的控制和緩解方法。討論了最近關于多尺度缺陷的研究差距，并提供了基于所描述的多尺度缺陷的三個方面的未來前景。以題“Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys”發(fā)表在Journal of Materials Science&Technology上。

簡言之，幾何相關缺陷主要包括宏觀殘余應力引起的零件變形和分層，而表面完整性相關缺陷則由樓梯體效應、部分熔化粉末、球化效應和表面開裂而形成。對于微觀結構缺陷，第一種形式是內部開裂，其分為與形成液膜相關的熱裂紋和固態(tài)開裂，以及材料脆性和殘余應力。第二個是內孔，包括LoF孔隙，冶金孔隙，鎖孔孔隙和收縮孔，通常由不適當或不穩(wěn)定的熔化引起的收縮孔。另一種是由外延生長和晶粒競爭性生長的耦合效應形成的紋理柱狀晶粒。最后，組成缺陷包括氧化，合金元素的損失和微分離，并且在AM加工過程中通過熱膨脹和收縮形成位錯電池。

圖 1.粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類。

圖 2.（a–c） 與幾何形狀有關的典型缺陷，包括變形和分層;（d） 由微型LPBF和常規(guī)LPBF制造的懸臂變形（e） 殘余應力與SLMed Ti6Al4V掃描長度的函數（f） 印刷零件的幾何誤差與特征厚度的函數。

圖 3.LPBFed中的階梯效應（a）基于表面的晶格和（b）基于支柱的晶格;（c）LPBFed SS316L的（c）頂部表面和（d）側表面的質量（e） LPBF中的單軌形態(tài)作為掃描速度的函數;（f） 金屬AM期間飛濺的液滴示意圖;表面裂紋（g）和晶體結構（h）在SLMed CM247LC高溫合金的邊界。

缺陷的存在通常不利于AMEd部件的機械性能。宏觀殘余應力、表面缺陷以及內孔和裂紋會降低材料的強度和延展性。疲勞性能也可能受到影響，因為這些缺陷可能會促進疲勞裂紋的生長并降低疲勞壽命。紋理柱狀晶�？蓪е聶C械性能的深刻各向異性，包括屈服強度和延展性，疲勞壽命和疲勞裂紋生長速率。特別是，微隔離的缺陷可能因原材料而異。一方面，微分離可能導致脆性相，例如鎳基高溫合金和Ti中的Laves相。2NiTi合金中的Ni相，導致不良性能。另一方面，在一些AMED FCC材料中，微分離和位錯細胞具有的細胞結構可以高度增強材料并提高延展性。

圖 4.典型的熱裂紋：（a，b）凝固裂紋顯示不規(guī)則的樹枝狀形態(tài)（c，d）無樹突特征的液化裂紋;（e，f）凝固裂紋和（g，h）液化裂紋區(qū)域的形貌和誤定位圖;（i-k）LPBFed AA7075合金的單軌，顯示出不同的熔池形狀和熱裂紋敏感性

圖 5.（a–c）LPBFed CM247LC合金中的固態(tài)裂紋顯示出直而尖銳的扭結;DED Inconel 738合金中DDC型固態(tài)裂紋的形貌：（d，e）三重結點處的DDC和（f）液化裂紋末端的DDC

圖 6.典型的內孔：（a）LoF孔隙和冶金孔隙;（b） 鎖孔孔和（c）收縮孔;（d）粉末吹制DED工藝中孔隙形成機理的示意圖

在了解其對缺陷形成的影響的基礎上，提出了各種控制方法。對工藝參數進行了密集的優(yōu)化，以獲得無裂紋和無孔的AMEd部件。后處理包括熱處理或/和HIP，以消除殘余應力并愈合內部孔隙和裂縫。然而，這兩種方法在減輕紋理柱狀晶粒等缺陷方面的能力有限。熱處理后處理甚至不可避免地會導致微觀結構變粗。還介紹了其他一些新穎的控制方法。添加適當的納米顆�？梢愿纳凭Я＝Y構并減少微裂紋和微分離。通過將其他加工技術與AM（主要是DED）相結合的混合方法也可用于減少殘余應力，晶粒細化和微分離緩解。

圖 7.在樮樮36的LAM期間，從（a）原始粉末和（b）氧化原料粉末進行原位觀察熔化特征;（c） SLMed Ti6Al4V中的孔隙率與能量密度的函數（d，e）SLM過程中激光功率掃描速度的典型工藝窗口

圖 8.典型的柱狀顆粒，沿BD具有<100>紋理（a）LBPFed SS316L（b） 鉻鎳鐵合金718 和（c）AlSi10Mg （d） 熔池形狀示意圖和由此產生的晶粒生長方向;（e）凝固微觀結構示意圖，作為溫帶梯度和生長速率的函數

圖 9.工藝參數對以下合金晶體結構的影響：（a）LPBFed鉻鎳鐵合金在激光功率和掃描速度的不同組合下;（b） LPBFed鉻鎳鐵合金718合金在不同掃描策略下

圖 10.（a）LPBFed SS316L的細胞結構提示微隔離和重疊脫位細胞;（b）在DED和SLM具有1D，2D和3D約束的條件下，位錯單元的形成示意圖

總體而言，本文全面了解了多尺度缺陷及其對AMEd組件機械性能的影響，以及有效的控制方法。討論了當前的研究差距和未來前景。因此，本綜述論文為優(yōu)化增材制造工藝，制造無缺陷零件和結構以及定制所需的機械性能和維修性能提供了一些適當的指南。