粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（2）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過程中常見的缺陷/異常及其形成機(jī)制。本文為第二部分。

1.4.缺陷分類
1.4.1.一般顯微結(jié)構(gòu)缺陷和異常

一般來說，缺陷可以通過三種具體方式產(chǎn)生或轉(zhuǎn)移到成品零件上，主要是通過：（1）從原料粉末轉(zhuǎn)移到粉末相關(guān)缺陷，（2）熔化過程中的激光-粉末-金屬相互作用，也稱為加工相關(guān)缺陷，以及（3）由于熱處理導(dǎo)致的加工后相關(guān)缺陷（圖6）。此外，設(shè)備、建造準(zhǔn)備和零件設(shè)計也會影響AM零件中缺陷的形成。金屬增材制造中常見的缺陷類型包括各種類型的氣孔，如未熔合、匙孔、球化和滯留氣體。其他缺陷類型包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力和金屬AM工藝快速凝固導(dǎo)致的變形（翹曲）。為了限制金屬AM內(nèi)缺陷的產(chǎn)生，必須通過適當(dāng)選擇材料、工藝和后處理設(shè)置來考慮和控制缺陷形成和轉(zhuǎn)移的機(jī)制。

圖6 粉末床熔合增材制造中的缺陷/異常形成機(jī)制分為三大類：（1）粉末相關(guān)缺陷，（2）加工相關(guān)缺陷，以及（3）加工后相關(guān)缺陷。

粉末相關(guān)缺陷。通常，粉末的形態(tài)、流動性、平均尺寸和粒度分布、表面污染等特性會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在基于熔融的AM工藝中，粉末特性直接受到粉末生產(chǎn)技術(shù)的影響，如水和氣體霧化、等離子霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝等。使用球形粉末可以獲得更高的表觀密度、更高的堆積密度、更好的粉末流動性和光滑的表面光潔度，然而，球形粉末的生產(chǎn)成本較高。當(dāng)PBF中使用的細(xì)粉（<5μm）比例過高時，可能會發(fā)生粉末結(jié)塊，從而對粉末堆積密度、粉末流動性和最終零件密度產(chǎn)生負(fù)面影響。L-PBF中使用的典型粒度范圍為15–45μm，而E-PBF中則使用45–110μm的粗粉粒。

處理相關(guān)缺陷。許多研究已經(jīng)研究了加工參數(shù)，如功率、掃描速度、層厚、填充間距和掃描策略對不同缺陷形成的影響，主要是氣孔和孔洞。更詳細(xì)地說，熔合孔隙邊界的缺乏可以通過熔池之間是否有足夠的重疊來確定，以確保所有點至少熔化一次。相比之下，匙孔孔隙度邊界對應(yīng)于深匙孔中的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致匙孔收縮。第三個邊界（稱為“串珠”邊界）由流體流動模式和熔池毛細(xì)不穩(wěn)定性的組合決定，是提高生產(chǎn)速度的限制因素，同時保持L-PBF AM系統(tǒng)的精度（例如，同時提高速度和功率）。整體LOF、匙孔和堆焊氣孔邊界定義了一個有效的工藝窗口，用于生產(chǎn)名義上全密度的零件。全密度可量化為體積密度>99.9%的樣品，但應(yīng)注意，在處理窗口內(nèi)仍可能存在較大缺陷（圖7）。

圖7 L-PBF金屬AM中的缺陷形態(tài)在功率速度（P-V）加工參數(shù)空間內(nèi)遵循可預(yù)測的趨勢。

如下圖（a）和（b）所示，將3.2毫米厚的皮板真空夾在鋁基上，同時將擠壓的型材縱梁垂直放置并保持良好接觸到位。合金中鋰元素的存在增加了表面氧化膜的生長速度，這是焊接過程中孔隙率形成的主要原因。因此，在焊接前需要格外注意準(zhǔn)備表面。用砂紙研磨表皮材料的表面以除去氧化層。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AA2196上的氧化層含有較高的氫含量，因此將縱梁AA2196的表面研磨到至少0.2毫米。表面處理后縱梁的最終厚度為1.6 mm，采用直徑為0.8 mm的AA4047填充線。

激光焊接蒙皮縱梁工藝和X射線CT樣品的配置。

其他缺陷，如開裂、變形和超高邊緣，在打印和打印圖案期間會受到熱歷史的影響，可以通過選擇適當(dāng)?shù)膾呙璨呗院筒考�設(shè)計來控制這些缺陷。

焊接工藝模型配置

焊縫試樣長310毫米，相當(dāng)于3秒的焊接時間。仿真表明，焊接將在起點后不久進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此在模型中將焊縫長度減少到100 mm以節(jié)省計算時間和資源是明智的。焊縫和 3D 模型示例如下圖所示。請注意，網(wǎng)格在焊縫附近進(jìn)行了顯著細(xì)化，其中溫度變化迅速。焊縫的體積是根據(jù)填料送絲速率計算的，該速率在模型中是預(yù)定義的。根據(jù)實驗條件設(shè)置了輻射、表面對流、傳導(dǎo)到背板和夾具的熱損失。工為了模擬氦氣保護(hù)氣體、背板和夾緊引起的強化傳熱，人為地增加了焊縫附近、背面和夾緊之間的表面的傳熱系數(shù)。

實際焊接試樣（a）和ABAQUS中的3D模型（b）。

當(dāng)飛濺的粉末形成并落在粉末層上時，會出現(xiàn)兩種不同類型的問題。通常，飛濺的粉末是粗糙的，因此，如果激光/電子束通過飛濺粉末，可能會阻止完全熔化，從而形成孔隙。此外，如果濺出的顆粒被重涂刀片取代，則會產(chǎn)生不均勻和不規(guī)則的粉末床，從而導(dǎo)致分配材料的不連續(xù)性）通常，激光功率分布和脈沖整形可以減少L-PBF中的飛濺顆粒。在E-PBF中，電子和粉末顆粒之間的相互作用傳遞能量和電荷。在這種情況下，當(dāng)靜電斥力壓倒將顆粒固定在粉末床上的力時，粉末就可能噴出[。由于蒸汽形成和周圍氣體溫度升高，可能會形成羽流，這表明化學(xué)成分、溫度和與周圍大氣的壓差。這種現(xiàn)象可能會改變激光/電子束路徑的光學(xué)特性，影響粉末床表面焦點處的光束輪廓和能量密度。

SLM 處理的示意圖。

后處理相關(guān)缺陷。由于AM零件的缺陷傾向，通常采用熱等靜壓（HIP）處理來減少內(nèi)部缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度。熱等靜壓涉及在惰性環(huán)境中應(yīng)用高壓和高溫，通過減少表面能和不平衡的內(nèi)外壓力來縮小內(nèi)部缺陷的尺寸。該過程需要在足夠高的溫度和壓力下進(jìn)行，以允許材料變形并使孔隙塌陷，如果氣體是可溶的，則允許其擴(kuò)散出孔隙。許多研究表明，熱等靜壓處理可以有效降低AM組件中的孔隙率，并隨后改善延伸率和疲勞壽命。然而，在高溫下延長時間會導(dǎo)致相當(dāng)大的顯微組織粗化，導(dǎo)致強度降低和不利的顯微組織。

當(dāng)對含有惰性氣體（如氬氣）的氣孔進(jìn)行HIP處理，然后再暴露于高溫時，就會出現(xiàn)問題。經(jīng)觀察，氬氣孔在熱等靜壓處理后的高溫?zé)崽幚磉^程中會再生，這一過程稱為熱致孔隙率（TIP），其嚴(yán)重程度足以導(dǎo)致機(jī)械性能退化。該過程是將現(xiàn)在加壓的孔隙從熱等靜壓過程加熱到允許周圍材料通過蠕變變形的溫度的結(jié)果。

就AM零件中的缺陷產(chǎn)生而言，可能還有其他資源，例如設(shè)備、粉末處理和分配，以及構(gòu)建準(zhǔn)備，也可能有助于缺陷產(chǎn)生。在下文中，對每一項都進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

氣體副產(chǎn)物和粉末層反射能量的任何污染都可能影響局部光束空間能量分布，導(dǎo)致幾何精度較差。Sames等人認(rèn)為腔室環(huán)境可能導(dǎo)致缺陷零件生產(chǎn)。通常，在L-PBF工藝過程中，惰性氣體被引導(dǎo)至構(gòu)建表面，氣體流速以及顆粒和飛濺物隨后的沉積路徑會影響打印步驟中缺陷的形成（孔隙率、飛濺粉末、尺寸精度差、表面粗糙度）。圖8顯示了由于氣體出口附近濺落顆粒的再沉積而產(chǎn)生缺陷的示例。

圖8 （A）在LPBF期間構(gòu)建樣本布局，其中靠近進(jìn)氣口的零件內(nèi)部缺陷最小，而靠近排氣口的LPBF打印零件的頂面上顯示出明顯的飛濺顆粒，光學(xué)顯微照片表明沒有熔合孔。

Anwar和Pham調(diào)查了L-PBF過程中濺出的粉末。他們表明，增加氣流速度導(dǎo)致粉末床污染增加，這是由于惰性氣流輸送粉末，飛濺顆粒形成和從熔池噴出的可能性更大。與打印環(huán)境相關(guān)的另一個重要問題是E-PBF中的氧含量低于L-PBF，因為前者使用的是真空。腔室中的高含氧量有助于形成球狀或珠狀起爆。

由于熔池因表面張力而卷曲，或重新形成的飛濺物落回粉末床上，如下圖（a）和（b）所示，成球和satellites出現(xiàn)，然后導(dǎo)致以下軌跡中的不均勻熔合。此外，由于溫度梯度較高，出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。由于過熱發(fā)生在有銳角的地方，膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)在圖（c）所示的小特征或懸垂幾何體上。由于目標(biāo)區(qū)域未熔合，也會出現(xiàn)翹曲、膨脹和分層現(xiàn)象。羽流隨著加工條件的變化而振動，通過吸收或反射激光輻射產(chǎn)生能量損失。此外，熔化軌道頂面上的飛濺物會阻礙相鄰線路。當(dāng)強烈的煙羽和飛濺突然爆裂或消失時，熔化質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。很難確定SLM制造組件中過熱或欠熱的缺陷原因。然而，過熱和欠熱都會導(dǎo)致缺陷，并與羽流飛濺特征有關(guān)，因此，通過羽流飛散特征識別過熱和欠溫現(xiàn)象是避免缺陷出現(xiàn)的第一步。

（a）成球、（b）satellites和（c）SLM過程中產(chǎn)生的膨脹。

粉末處理和分配。這些是PBF工藝中缺陷形成的其他來源重涂系統(tǒng)可能會影響粉末層的密度和鋪展層的平滑度，導(dǎo)致粉末層形成不均勻。此外，如果固化區(qū)域有任何飛濺的粉末，刀片可能會撞擊表面并使打印件變形。換言之，由于重涂系統(tǒng)在構(gòu)建區(qū)域上的線性運動，飛濺粉末的缺陷可能導(dǎo)致粉末新鋪展層出現(xiàn)異常。此外，粉末的不均勻?qū)訉Ψ勰┒逊e密度和激光與粉末的相互作用有不利影響，從而導(dǎo)致不一致的加工條件和潛在的氣孔形成。可以用刷子或橡膠重涂器替換刀片，以減少分配系統(tǒng)和粉末床之間的磨損和摩擦。當(dāng)分配系統(tǒng)經(jīng)過構(gòu)建區(qū)域時，它還可以防止與正在打印的部件發(fā)生碰撞。然而，刷子或橡膠重涂器更容易損壞，通常需要頻繁更換。

構(gòu)建準(zhǔn)備。在附加制造的構(gòu)建設(shè)計步驟中會產(chǎn)生一些缺陷，包括（1）關(guān)于構(gòu)建板和打印方向的部件/構(gòu)建方向，以及（2）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計和犧牲組件。

構(gòu)建方向會影響AM零件中的微觀結(jié)構(gòu)（紋理和晶粒取向）以及潛在孔隙度的形成。此外，尺寸精度和表面光潔度是受制造方向影響的其他兩個標(biāo)準(zhǔn)。各向異性行為，如機(jī)械性能和腐蝕速率，會受到構(gòu)造方向的強烈影響。Jamshidinia和Kovacevic表明，構(gòu)建板上零件之間的間距會影響熱量積累，從而導(dǎo)致不同的表面質(zhì)量。當(dāng)零件彼此靠近時，熱分布和耗散受壁間間距的控制，從而使粉末顆粒的部分熔化增加，并且它們粘附在凝固表面上，從而導(dǎo)致表面粗糙度增加。

支撐結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計是構(gòu)建設(shè)計的關(guān)鍵步驟，影響最終零件的質(zhì)量和性能。打印后，需要移除支撐結(jié)構(gòu)以完成AM部件。對于復(fù)雜零件，需要支撐結(jié)構(gòu)，因為（1）避免具有懸垂結(jié)構(gòu)的AM零件塌陷，（2）控制從AM零件到構(gòu)建板的熱梯度和熱沉，以及（3）減少殘余應(yīng)力引起的翹曲和變形。圖9顯示了支撐結(jié)構(gòu)和缺陷的示例。

圖9 （A）實際部件的重建過程，顯示了如何將支撐結(jié)構(gòu)添加到AM部件中；（B）雙懸臂梁的各種支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計；（C）具有不同支撐結(jié)構(gòu)的AM部件示例，表明支撐結(jié)構(gòu)和構(gòu)建板之間的接口處未形成裂紋。在齒架設(shè)計中觀察到小裂紋，但對AM部件沒有翹曲影響。（D） PBF AM部件懸垂故障。（E）表明裂紋形成的示例取決于試樣的高度，其中8.2 mm及以上的所有較高試樣在其界面角處開裂，8.1 mm的較短試樣在其端部未開裂。

據(jù)報道，未熔化粉末引起的表面粗糙度是EBM®產(chǎn)生的非混沌晶格結(jié)構(gòu)中裂紋萌生的可能原因。多個來源可能會影響增材制造組件的表面粗糙度，例如設(shè)計。在增材制造過程中，三維（3D）計算機(jī)輔助設(shè)計 （CAD） 模型被切成許多薄層。這些薄層或二維 （2D） 層彼此堆疊在一起以創(chuàng)建 3D 對象。CAD模型和3D打印對象之間可能存在幾何差異。這種差異被稱為階梯踩踏效應(yīng)。結(jié)果表明，樓梯踩踏效應(yīng)在傾斜表面上更為明顯。粉末顆粒的大小是另一個可能對表面粗糙度產(chǎn)生重大影響的參數(shù)。使用較小的粉末顆粒可以最大限度地減少階梯效應(yīng)，因為使用較小的粉末顆�？梢詫崿F(xiàn)更薄的層。據(jù)報道，對于給定的傾斜角度，朝下和朝上的表面之間的表面粗糙度可能不同。Bacchewar等人表明，向下的表面具有更高的平均表面粗糙度。這種差異可以通過考慮在向下表面上觀察到的圓角效應(yīng)來解釋。

（a）網(wǎng)域幾何形狀和（b）5 mm間距的嚙合示意圖。藍(lán)色表面和藍(lán)色虛線顯示預(yù)沉積的Ti-6Al-4V，而紅色虛線顯示域的邊緣。

1.4.2.其他缺陷

在這篇綜述中，我們重點介紹了粉末床熔煉AM中常見的宏觀和微觀微觀結(jié)構(gòu)缺陷。通常，這些缺陷傾向于降低構(gòu)建的屬性。當(dāng)縮小長度尺度時，在原子/納米尺度上對缺陷的研究較少。在這里，我們總結(jié)了PBFed金屬零件的最新文獻(xiàn)中報告的關(guān)鍵結(jié)果，以促進(jìn)對此主題的進(jìn)一步探索和發(fā)現(xiàn)。

在納米尺度上，缺陷可以按尺寸分類：（a）零維缺陷（空位）；（b）一維缺陷（位錯）；（c）二維缺陷（晶界）；和（d）三維缺陷（空洞）。

不同間距（a）5mm、（b）10mm和（c）20mm的薄板冷卻期間溫度分布的比較；（1）俯視圖，（2）側(cè)視圖。

空位是空位點陣，在添加劑制造的循環(huán)加熱/冷卻過程中，空位往往會累積。增材制造合金的機(jī)械、熱電和電化學(xué)性能都會受到空位的影響。在Fe-Al鐵鋁合金系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)空位濃度與斷裂強度和硬度呈正相關(guān)，而對伸長率和延展性產(chǎn)生負(fù)面影響。在Ti-6Al-4V中觀察到類似的行為，其中氧空位在氧化層中形成n型半導(dǎo)體，增加其對侵蝕性離子（如氯離子）的親和力，從而削弱耐腐蝕性。

高位錯密度是竣工PBF零件的常見特征，主要是由于受限介質(zhì)中的循環(huán)熱膨脹/收縮。盡管被認(rèn)為是一種晶體缺陷，但位錯在以下方面對AM零件有利：


(1)錯位有助于以兩種形式保持零件的完整性：（a）在枝晶生長期間，細(xì)胞邊界具有較高的錯位密度，以適應(yīng)每個枝晶分支之間的錯位。（b）幾何必要位錯（GND）形成，以適應(yīng)不同相/晶粒/顆粒之間非均勻變形以及伴隨熱收縮的較小但不可忽略的塑性應(yīng)變產(chǎn)生的變形梯度。

(2)位錯對零件的機(jī)械性能有很大影響。位錯可以與材料中的其他缺陷積極相互作用，例如顆粒、孿晶/晶界，甚至分離元素。這種相互作用形成了漸進(jìn)加工硬化機(jī)制。不銹鋼，尤其是316 L不銹鋼中的位錯網(wǎng)絡(luò)最近被確定，并被視為竣工316 L鋼具有優(yōu)異強度和延展性的關(guān)鍵因素。位錯網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過阻止（而不是完全阻止）位錯運動來強化材料，還可以通過允許位錯傳輸并打破強度-塑性權(quán)衡來保證連續(xù)塑性流動，從而提高材料的延展性。

由于晶粒細(xì)化和外延晶粒生長，完工PBF零件中的晶界似乎密集且高度各向異性。因此，晶界在決定零件的機(jī)械性能、電化學(xué)性能，甚至磁性性能方面起著重要作用。

空穴可以看作是納米尺度的晶格空位簇。平衡空位濃度隨溫度升高，并可通過快速冷卻部分保持。匙孔隙的小密度（<1 vol%，<1μm）通常不會對拉伸或循環(huán)荷載下的材料失效構(gòu)成風(fēng)險。然而，應(yīng)注意，由于孔洞之間的局部顯著塑性滑移導(dǎo)致應(yīng)力和溫度增加，一對/一組孔洞可以共同作用，從而引發(fā)斷裂。此外，空洞在與其他納米尺度特征（空位、位錯、雜質(zhì)元素等）相互作用期間，可能會影響高溫（但低于再結(jié)晶溫度）下的材料行為。然而，正如其他地方所討論的那樣，眾所周知，大孔隙作為疲勞裂紋的起始位置。

來源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974

參考文獻(xiàn)：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.