激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战（2）

江苏激光联盟

导读：本文探讨了激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战。本文为第二部分。

激光功率
激光功率作为激光加工的关键工艺参数之一，直接决定了热输入和熔池的温度。图5和图6总结了不同参数对L-DED不锈钢熔体池尺寸和孔隙率的影响。如图5(a - b)所示，Song等人的研究表明，随着激光功率的增加，单轨(熔体池阵列，其宽度和高度与单一熔体池相同)的宽度和高度都显著增加。这是因为更高的激光功率产生更高的输入能量传递给被辐射的材料，这导致更多的粉末被熔化。因此，产生了更大的熔池。这也表明了更高的捕获效率，这是评估激光工艺效率的重要基准标准，定义为熔体池中捕获的粉末与交付的粉末的比率。

此外，激光功率也与球化现象密切相关，球化现象是一种由粉末颗粒不均匀重组而产生的缺陷，在激光熔覆和焊接中已经得到了很好的研究。由于LAM是一种分层制造工艺，球化现象严重阻碍了均匀层沉积，并导致层间孔隙的形成，甚至在热应力作用下发生分层。如图7(b)所示，较低的激光功率与L-PBF过程中明显的球化现象有关。这是由于激光能量输入较低时，粉末颗粒熔化不足造成的。Gu及其同事在L-PBF制备的316L不锈钢中也报道了类似的结果，由于球化现象，较低的激光功率导致试样中孔隙率较高。通过增加激光功率使粉末完全熔化，可以明显缓解这一问题，如图6(a)所示。

图5 加工参数对L-DED型钢单轨尺寸的影响:扫描速度、激光功率和进给速度对420不锈钢轨道(a)宽度和(b)高度的影响;(c)进给速度对H13工具钢轨道厚度误差的影响;(d)扫描速度、(e)进给速度和(f)比能对316不锈钢轨迹高度的影响。

图6 工艺参数对L-PBF和L-DED制备的钢试样气孔率的影响:(a)激光功率;(b)粉进料速度;(c)扫描间距;(d)涂层厚度和激光功率;(e)扫描速度和层厚;(f)扫描速度

通常，由LAM产生的钢样品中的孔隙是在层与层之间的未熔合区域观察到的，称为未熔合孔。激光功率越大，预扩散或喷射粉末的熔化程度越高，相邻两层之间的重叠程度越高，熔化孔的缺失程度越低。但如前文所述，当激光功率过大时，熔化模式会转变为小孔模式，由于金属蒸发强烈，熔化池底部会产生较大的小孔孔(图3(a))。这降低了零件的密度。因此，适当的激光功率对于实现捕获效率、缺乏聚变和锁孔跃迁之间的折衷至关重要。

图3 (a) L-PBF，(b,c) L-DED和(d-f)激光焊接在不同工艺参数下制备的钢熔体熔池形貌的变化。(a)中的数字表示熔体池对应的激光功率(W)。

Zhang等发现，随着激光功率的增加，L-DED316L熔覆层中的枝晶组织逐渐由薄变粗，导致硬度和拉伸性能下降。一般来说，激光功率越大，能量输入越大，冷却速率越低，相应的微观结构越粗。而Zhang等报道的SEM图像只显示了枝晶形态，由于枝晶偏析严重，没有观察到晶界。电子背散射衍射(EBSD)可能是表征晶粒和纹理的更合适的方法。激光功率不仅可以控制晶粒形貌，还可以控制织构。Sun和同事报道了L-PBF制造的316不锈钢样品在380 W激光功率下的外延性能为<001> 纹理沿建筑方向(图9(a))，这与LAM之前对其他立方结构材料的研究一致。然而，一个建立了950 W的激光功率显示<011>纹理沿建筑方向(图9(b))。

DebRoy等对LAM过程中外延晶粒生长和织构形成的机理进行了全面的探讨。添加态多晶合金的晶粒取向与熔体池的形状密切相关，熔体池的形状由合金的AM工艺参数和热物理性能决定。根据Sun等(图9(c-f))的动力学Monte Carlo模拟结果，较低功率(380 W)下的熔体熔池比高功率(950 W)下的熔体熔池要宽、浅得多，说明在380 W下，凝固过程中熔体熔池边界处的热流方向与成型方向相反。因此，熔池中柱状晶粒倾向于从下向上直长，导致熔池中柱状晶粒呈<001> 纹理沿着建筑方向，如图9(d)所示。在后续层沉积后，这些晶粒进一步外延生长，形成大的柱状晶粒，样品中平均晶粒面积约为310 μm2。

相比之下，在950 W激光功率下，较窄和较深的熔体池的特征是熔体池边界处有曲率，如图9(f)所示。在凝固过程中，柱状晶粒向熔池顶部中心垂直于弯曲熔池边界生长，并倾向于从建筑方向倾斜45°。这将导致一个<011> 沿建筑方向的晶体纹理。此外，这种柱状晶粒的生长促进了熔池顶部中心等轴晶粒簇的形成(图9(e,f))，阻止了柱状晶粒的进一步生长。因此，尽管950 W试样熔体池较大，但其晶粒细化程度较380 W试样要小得多，平均晶粒面积约为180 μm2。

图9 激光功率分别为380 W (a)和950 W (b)时，L-PBF制备的316L不锈钢样品的晶体织构(a,b)和拉伸性能(c)。晶体方向沿建筑方向观察，如图(a)所示箭头所示。380 W (c,d)和950 W (e,f)[23]样品的动力学蒙特卡罗模拟结果的等距和正面视图。

沉积过程包括从计算机生成的三维实体模型生成刀具路径。刀具路径系统地沿工件区域连续移动激光聚焦区，以融合气体输送到聚焦区的金属粉末颗粒。该过程的原理图如下图A所示。激光直接沉积技术与之前的RP技术相比有许多优势，包括更稳健的沉积，更精确的沉积材料的位置，以及在沉积过程中通过简单混合粉末来生产功能梯度材料的能力。激光直接沉积实验的实验装置如下图B所示。

图A激光直接沉积工艺示意图。

图B激光直接沉积系统的组成部分。

值得注意的是，Monte Carlo模拟通过考虑相邻晶粒间的总键能和晶界迁移活化能来反映晶粒生长动力学。但该方法描述性较强，不能充分揭示凝固过程中复杂的物理冶金过程。需要考虑几个凝固特征，如热梯度和固/液界面上的溶质偏析，它们在控制晶粒形貌和生长动力学中发挥着重要作用。热梯度与工艺参数密切相关，而溶质偏析在合金中变化显著，进而影响Monte Carlo模拟中晶粒长大指数的大小。这些特征的标定困难，对不同合金的Monte Carlo模拟精度造成了很大的限制。因此，Sun 等工作中等轴晶粒团簇的形成需要进行实验验证，通过对最顶层的微观组织检查可以很容易地进行验证，以避免重叠效应。一般情况下，凝固过程中形成的晶粒形貌由温度梯度G与凝固速率R (如iG/R)的比值决定。较低的G/R值与较大的过冷活化成核、促进柱状晶向等轴转变有关。因此，将激光功率从380 W提高到950 W，有利于熔池中G/R值的降低，从而促进熔池中细小等轴晶的形成。在其他高激光功率的LAM合金中也报道了类似的现象。

另外，由于<011>在950 W的试样中，l - pbf316l的拉伸强度和伸长率分别提高了约16%和40%(见图9(g))。950 W试样中晶粒越细，晶界越多，阻碍位错运动(即Hall-Petch效应)，适应拉伸试验中产生的应变，强度和延性同时得到提高。有趣的是，Niendorf和同事的研究结果得出了一个完全不同的结论。他们报告说，较低的400 W激光功率产生了<011>纹理，而更高的功率1 kW产生一个<001>与L-PBF的316不锈钢结构相同。此外，与1 kW的L-PBF相比，400 W的强度更高，但塑性更低。Sun等将差异归因于不同的扫描策略，这一点还有待证实。

其他laser-related变量
如上所述，激光功率是LAM过程中的主要参数之一，因为它直接定义了能量输入，从而定义了热历史。然而，激光的类型、激光束的大小和形状等其他与激光相关的参数也需要在LAM过程中考虑。由于这些参数在LAM过程中通常是不可调的，因此相关的研究工作非常有限。尽管如此，由于激光与传统激光加工技术(如激光焊接和熔覆)的相似之处，对激光在LAM中的影响的深入了解可以参考传统激光加工技术。

目前，在LAM过程中使用的最常见的激光器类型是CO2激光器、Nd: YAG激光器、光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器和光纤耦合二极管激光器。研究表明，即使在相同的线性热输入条件下，铁粉吸收的激光能量也随激光类型的不同而不同。Bagger等人早期的研究表明，在316不锈钢的激光焊接中，co2激光焊缝对裂纹的敏感性低于nd - yag激光焊缝。这是由于CO2激光器比ND-YAG激光器具有更好的可聚焦性。前者产生更深的焊接。但是，目前还没有证实激光类型影响lam制造的金属零件性能的结果报告。

虽然可以通过调节激光系统中的光学透镜来改变激光束的大小或光斑的大小，但这种调节也会使激光离焦，这在实际中很少实现。注意光斑大小也可以通过调整z增量来改变。越高的z增量或设置层厚度一般会增大熔池与激光聚焦面之间的距离，这意味着在基板或熔池上的失焦程度越高。结果表明，激光光斑的尺寸增大，增加了与粉末的相互作用面积，但降低了单位质量的激光能量输入。一般来说，该过程的捕获效率可以通过使用离焦调制来控制。Haley等人最近的一项工作表明，随着离焦距离从0增加到10 mm，捕获效率首先提高，这是因为光斑尺寸的增大使得能够捕获更多粉末。而进一步增加离焦距离到18 mm，由于基片上能量输入的减少，捕获效率显著降低。在这种情况下，熔化的粉末较少，削弱了相邻两层的重叠，导致熔合孔的缺失。

Shi等人研究了激光光束形状(即圆形高斯和椭圆光束形状)对LAM加工316L不锈钢的微观组织(如晶粒形貌、尺寸和织构)的影响。结果表明，通过成核事件产生等轴晶的倾向随熔池几何形状的变化而变化，可以由激光束形状来控制。Shi等认为，与圆形高斯(CG)束和纵向椭圆(LE)束相比，横向椭圆(TE)束产生的熔体池更短、更宽、更浅。此外，随着熔池宽度的增加，成核事件的数量增加。因此，TE剖面产生了最大的形核事件，在更宽的加工参数窗口内产生了等轴或混合等轴柱状晶粒。而CG和LE梁产生了更强的柱状纹理。虽然对激光焊接中光束形状的影响的研究相对较少，但在激光焊接和激光熔覆过程中已经有了广泛的研究。Ayoola等人最近的一项工作表明，在S275低碳钢激光焊接中，投射光束的形状显著影响激光能量输入，从而影响焊缝形状。与圆形激光束相比，椭圆激光束的焊缝更浅、更宽，这使得激光光斑的截面积更大，因此能量输入更低。这为通过调节光束形状来优化加工参数提供了新的思路。因此，有必要进行进一步的基础研究，以开发形状更复杂的光束在提高LAM产品质量方面的作用。

扫描速度
扫描速度对LAM生产的钢件的几何精度和性能也有显著影响。Yadroitsev和同事研究了在L-PBF系统中制备的316L不锈钢和H13工具钢在不同扫描速度下的单轨特性。结果表明，随着扫描速度的增加，钢基板的熔化深度减小。Lu和同事在L-DED建造的316L不锈钢单轨样品上报告了类似的结果。较高的扫描速度降低了单轨的高度和宽度，如图5(d)和8(a-c)所示。结果与Song的工作一致，如图5(a,b)所示。激光扫描速度V (m s-1)与熔池几何形状之间的关系可以用经典的Rosenthal方程定量描述。

其中，Tf(K)合金的熔化温度,T0 (K)从熔池温度的位置远,R0(W)表示吸收功率,可简化为λ·P(λ是激光吸收率和P (W)表示激光功率)，K (W m - 1·K - 1)代表了合金的热导率,a (m2 s -1)表示合金的热扩散率。尺寸j和r定义了熔池的大小和形状，如图10所示。其中j为光束行进方向到激光光斑的距离，r为激光光斑到熔体熔池边缘的距离，用r = (j2 + y2) 0.5表示。在y值最大时，熔池宽度W可以由Tang等的Rosenthal

图10 熔池边界的Rosenthal图示意图，从熔池顶部观看。激光束集中在y轴和ξ轴的交点处。

其中r(单位kg m-3)为合金密度，CP为合金比热容。如式(2)所示，熔池宽度与扫描速度成反比，与图5(a,d)的结果一致。从本质上讲，扫描速度的变化也改变了激光在衬底上的能量输入。随着扫描速度的增加，激光与单位体积粉末之间的照射间隔缩短，体积能量输入减少。因此，熔化的粉末较少，这与较小的熔化池有关，因此捕获效率较低。与L-DED相比，与L-PBF相关联的更高的扫描速度(见图7 - 8和11)，可能会由于粉末床层未充分熔化而导致所谓的球化现象(见图7(a))，最终导致更高的孔隙率(见图6(a,e,f))。虽然较高的扫描速度可能导致熔化不足，但并不是扫描速度越小越好。低的扫描速度可能会导致强烈的能量输入，从而形成小孔孔隙，降低了零件的密度。在合适的扫描速度范围内，获得最密部分的最佳机械合适的拉杆。Yadroitsev等人之前的研究报告称，最佳扫描速度范围与所制备合金的导热性密切相关。具有高导热系数的合金的最佳扫描速度范围较窄。然而，需要进一步研究来了解这种现象的潜在机理，从而更好地将适当的加工窗口与材料性能联系起来。

除了致密化，扫描速度还会从微观组织方面影响LAM加工钢的机械性能。对于L-DED工艺，由于枝晶结构的细化，扫描速度的提高可以提高316L样品的强度和塑性。如图11(a、b)所示，随着扫描速度从2 mm s-1提高到10 mm s-1, L-DED不锈钢的一次枝晶间距和二次枝晶间距均显著减小，强度和塑性同时提高(见图11(c、d))。此外，L-PBF预制钢中也报道了高扫描速度导致的组织细化。如图11(e-h)所示，通过提高扫描速度(从280 ~ 7000 mm s-1)， L-PBF不锈钢熔体池中细胞尺寸从1μm左右有效减小到0.2μm左右。这主要归因于较高的扫描速度所带来的较高的冷却速度。如前文所述，与激光功率一样，扫描速度也与单位时间和单位面积内的能量输入有关，它直接决定了LAM过程中熔化池的凝固速率和热梯度。从图11可以看出，LAM加工钢的微观组织对冷却速度和温度梯度非常敏感，可以通过改变激光功率或/和扫描速度来调节冷却速度和温度梯度。因此，可以根据组织与性能的具体关系，有针对性地定制LAM加工钢的机械性能。

图11 (a,b)不同扫描速度下L-DED沉积的316L合金的SEM组织，(c)抗拉强度和(d)延伸率[93];(e-h)用不同的激光扫描速度对l - pbf316l样品的蚀刻表面进行SEM扫描。

扫描策略和扫描间隔

在Jhabvala等人提出的扫描策略定义的基础上，Hagedorn-Hansen等人提出了一种新的扫描策略定义:扫描策略是指在LAM期间用于影响因变量的任何扫描模式或曝光方法，包括但不限于不同的矢量、分段或层扫描方法。向量策略包含的风格，其中向量的舱口和轮廓被扫描。分段策略涉及到零件层中各部分被扫描的方式。而层扫描策略涉及到矢量在层中的方向和位置。然而，使用这个定义，扫描策略的类型可能会非常复杂，因为各种向量、段和层的大量组合，构成了庞大的扫描方法。例如，对于某一扫描模式，段策略和层策略可以是不同的。由于层间向量的不同线段数或方向/位置的组合，将会有无限的策略。段和层扫描策略的选择也依赖于形状和大小的一部分,在这一节中,我们简要分类舱口的扫描策略基于向量和轮廓,包括线扫描、分形扫描、螺旋扫描和岛扫描(参见图12)。虽然这些策略可以从L-DED或L-PBF中检索，但它们都适用于这两种技术，这取决于嵌入式控制系统。然而，目前仅在L-PBF系统中采用island策略。

图12 钢LAM中使用的四种扫描策略。

不同扫描速度(激光功率1000 W;进粉速度4g/mm;激光光斑尺寸2毫米)

只需改变扫描速度，其他加工参数(激光功率1000 W，送粉速度4g/min，光斑直径2 mm)保持不变。不同扫描速度下熔覆层的SEM形貌如上图所示。图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次为扫描速度为2、4、6、8、10 mm/s时的显微组织。

目前，传统的行扫描仍是LAM过程中最常用的扫描策略，也被称为交替扫描、光栅扫描和锯齿扫描。其他新型扫描策略(分形扫描、螺旋扫描和岛状扫描)被开发出来，以降低LAM(通常为106 K m-1)期间由陡峭的热梯度引起的部分的应力和应变。它们对构件变形和残余应力的影响已被广泛报道和比较。如Yu等研究并比较了扫描模式(光栅、偏移和分形，见图13(a-d))对L-DED建造的316L零件变形的影响。如图13(e)所示，分形沉积模式在零件中产生的变形最小，其次是偏移偏移模式(即螺旋扫描)。将实验结果与有限元建模(FEM)相结合，Yu等人发现，在L-DED过程中，瞬态温度梯度的大小对零件变形具有关键影响。有限元分析结果表明，分形和偏置沉积模式比光栅和偏置沉积模式的温度梯度更小，导致零件变形更小。

图13 四种沉积模式用于L-DED建造的316L零件(a)光栅，(b)偏移量，(c)偏移量和(d)分形;(e)四种沉积模式基底变形比较[66];(f)四种扫描策略及L-PBF建立的H13试件的相应截面。

扫描每一层有无数种方法。也许最传统的和用来比较新方法的策略是曲折策略(下图(a))。研究人员和企业经常使用的策略是island扫描策略(下图(b))。这种方法将组件细分为更小的区域，分别随机扫描，试图产生更均匀的热分布。此外，在island扫描中，可以将每个子段视为一个区域，单独选择扫描策略。相邻岛屿的矢量定期地互相垂直地扫描，从而使每一层都有在多个方向扫描的轨迹。这是有利的，因为在一个方向上没有主要的应力建立，因此可以降低SLM制造组件的各向异性。另外，扫描图形可以在随后的层之间旋转，通常是90°，以产生类似的效果。

(a)锯齿形(b)岛形(c)分形和(d)螺旋扫描策略示意图。

上述新扫描策略，包括分形、螺旋和岛状扫描，有很强的潜力降低残余应力，从而使变形或裂纹最小化。分形扫描似乎是最有效的扫描模式，尽管这一结论还需要进一步的研究来证实。此外，到目前为止，只有Hilbert和Gosper填充曲线被用于分形扫描模式。基于其他类型的空间填充曲线(βΩ-curve、H指数曲线、peanuts - meander曲线等)，研究分形扫描在降低应力方面的有效性是十分必要和重要的。

采用不同的扫描策略可以降低激光扫描制件的气孔率。然而，L-PBF过程中的溅射会排斥线向量周围的粉末，从而减少后续扫描可用粉末的数量，这很可能导致高孔隙度。Beal等人在应用第二个扫描光栅之前使用了填充策略来替换缺失的材料(图13(f))。如图13(f)所示，与其他不进行粉末再填充的线扫描策略相比，再填充策略由于孔隙率最低，被证明是最适合制备高密度H13样品的L-PBF填充策略。然而，这种策略相对耗时。因此，它并没有被广泛遵循。

扫描策略的变化也可能导致不同的阶段。例如，Kudzal和他的同事报道了扫描策略对L-PBF制造的17-4 PH不锈钢中奥氏体的数量有显著影响。同心式(螺旋扫描)扫描策略导致奥氏体含量(高达82%)比直线扫描策略(～50%)高得多，这可能是由于同心式扫描导致的更高的冷却速度。

需要注意的是，对于每一种扫描策略/图案，每一层之间的扫描图案旋转和不旋转会导致不同的微观结构。每层之间的旋转扫描策略已被证明在LAM过程中对织构的调整是有效的，这将在“常规生产钢的凝固和相变概述”和“奥氏体钢”小节中进一步讨论，以奥氏体和双相不锈钢为例。此外，对于给定的扫描模式，每个扫描轨迹之间的扫描间距是另一个变量。Gu等发现扫描间距的减小降低了L-PBF构建的316L样品的孔隙度，如图6(c)和7(i-k)所示。一般情况下，缩小扫描间距会导致之前烧结轨迹或未熔合区重熔，增加相邻层间的重叠，从而降低烧结时试样的孔隙率。

来源：Laser additive manufacturing of steels，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351
参考文献：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.