激光粉末床熔覆金屬中孔隙率的形成、評(píng)估和影響

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，《Opto-Electronic Advances》的新出版物討論了通過激光粉末床熔煉額外制造的金屬中孔隙度的形成、評(píng)估和影響。

論文大綱。（a） LPBF打印金屬中的兩類孔隙及其形態(tài)特征；（b）打印金屬的拉伸性能與孔隙率之間的關(guān)系；以及（c）潛在的研究機(jī)會(huì)。

增材制造（AM）技術(shù)，也稱3D打印，是制造技術(shù)領(lǐng)域的一顆新星。AM技術(shù)以直接從數(shù)字模型中解除設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品的幾何約束而聞名。材料在AM加工過程中被“添加”，使其成為與傳統(tǒng)的減法和成形制造相對立的顯著特征。各種材料，包括金屬、金屬間化合物、聚合物、陶瓷和復(fù)合材料，都可以增材制造。

激光粉末床熔煉（LPBF，又稱選擇性激光熔煉）是一種基于粉末床的AM技術(shù)，是激光工程的一個(gè)新分支。使用LPBF可以以優(yōu)異的質(zhì)量和精度成型大量的金屬材料，最近吸引了大量的研究和工業(yè)興趣。然而，LPBF印刷金屬的缺陷一直是應(yīng)用中長期關(guān)注的問題。當(dāng)打印偏離其優(yōu)化范圍時(shí)，會(huì)形成缺陷。氣孔、未熔合（LOF）、不良夾雜物（例如未熔合顆粒）和裂紋是LPBF印刷金屬產(chǎn)品中常見的缺陷。對缺陷和相關(guān)機(jī)械效應(yīng)的研究對于LPBF印刷金屬產(chǎn)品的鑒定和應(yīng)用至關(guān)重要。

LPBF處理示意圖。

作為一種危害較小但最普遍、難以消除的缺陷，孔隙率對LPBF印刷產(chǎn)品的性能有重大影響。如何闡明孔隙度的形成過程并有效抑制它？如何正確測量和評(píng)估孔隙度？孔隙率對常見結(jié)構(gòu)金屬的機(jī)械性能有哪些主要影響？本文的目的和范圍是為上述問題提供最新的答案。在最近和經(jīng)典文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，向讀者介紹了LPBF印刷金屬中孔隙率的一站式通用解釋，以及詳細(xì)的數(shù)值分析。

本文從孔隙度的形成和評(píng)價(jià)入手。第一部分闡述了兩種孔隙度（氣體孔隙度和LOF孔隙度）的形成機(jī)制。綜述了近年來利用先進(jìn)的顯微CT和同步輻射X射線成像技術(shù)進(jìn)行的研究，以展示其形成過程。此外，還討論了孔隙度的關(guān)鍵描述符和四種主流測量/評(píng)估技術(shù)，以分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。此外，還詳細(xì)研究了拉伸和循環(huán)載荷條件下孔隙率的影響和臨界指標(biāo)。

LPBF打印金屬中檢測到的（a）氣體孔隙度和（b）LOF孔隙度的代表性橫截面和3D重建。（b）中的虛線圓圈表示未熔化的原料粉末。

回顧了200多項(xiàng)研究工作，介紹了LPBF印刷金屬中孔隙率影響的力學(xué)概念、數(shù)值模型、模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)觀察。介紹了LPBF打印Ti-6Al-4V合金、316L鋼、Inconel 718合金和AlSi10Mg合金的豐富拉伸性能�？紫抖鹊目山邮艹潭入S特定金屬的延展性而波動(dòng)。因此，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，提出了原始統(tǒng)計(jì)模型，以建立四種代表性金屬的孔隙率與拉伸性能之間的相關(guān)性。彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變的擬合方程可以簡單地基于孔隙率值快速估計(jì)關(guān)鍵力學(xué)性能。

代表性的3D重建圖(a) Ti - 6Al - 4V樣品孔隙分布和(b)特定孔隙視圖。

討論抑制孔隙度形成的三類方法，旨在為工程應(yīng)用提供進(jìn)一步的幫助。在最后一部分，本文總結(jié)了AM社區(qū)當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)和一些懸而未決的成果。隨著物理理論和模型的發(fā)展，孔隙度的形成可以精確控制，甚至可以在未來使用改進(jìn)的設(shè)備就地消除。LPBF印刷金屬中的孔隙率甚至可以被有意用于實(shí)現(xiàn)特定功能。總之，本文回顧了近期和經(jīng)典研究，闡明了孔隙度的關(guān)鍵概念，并提出了具有顯著工程意義的原始數(shù)值模型。AM技術(shù)目前發(fā)展迅速。在這一點(diǎn)上，本文對LPBF打印金屬中孔隙率的關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)的、最新的綜述。它應(yīng)該引起研究界和AM行業(yè)的興趣。

X射線CT局限性的對比說明。（a）LOF孔隙的顯微圖像；（b）用X射線CT和阿基米德法檢測的孔隙的比較；以及（c）通過CT和共焦顯微鏡（CM）檢測的316L樣品中相同橫截面的比較。

來源：A review and a statistical analysis of porosity in metals additively manufactured by laser powder bed fusion. Opto-Electron Adv 5, 210058 (2022). doi: 10.29026/oea.2022.210058