激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战（3）

来源：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。本文为第三部分。

进料速度
粉末进给速度是一个关键参数，只有在L-DED系统中可用。进给速度对钢单轨尺寸的影响不同于激光功率和扫描速度。图5(a-b,e)显示了L-DED型不锈钢单轨的高度和宽度随粉末进给率的变化。Song等人报道了与熔池高度和宽度相同的轨道高度和宽度，随进粉速度的变化而变化。随着进给速度的增加，宽度减小，高度增加，如图5(a,b)所示。然而，Lu和同事报告了一个不同的结果，单轨的宽度和高度都随着进给速度的增加而增加，如图5(e)所示。

这种不一致的实际原因是未知的，可能需要进一步的工作来澄清它。一般来说，与激光功率或扫描速度不同，进粉速度越高，捕获效率越低。尽管增加粉末进料速度可以使更多的粉末被困在熔池中，但它也增加了进入辐照区域的粉末总量。这将产生过多的未熔化粉末，这些粉末作为漂浮颗粒，有效地保护熔体池不接受进一步的粉末，从而降低捕获效率。因此，从这个角度来看，一个适当的粉末进料速度是重要的，以确保一个具有成本效益的过程。此外,了解粉末流速的影响尺寸精度的H13工具钢部分,CUI和同事测量的实际层厚度一层用一个L-DED制作的过程,分析了厚度误差(实际层厚度的差异设计层厚度)。

高的粉末质量流率导致了低尺寸精度和高孔隙率(图6(b))。这是由于高粉流密度引起入射激光束的散射，使激光输入能量衰减，从而可能导致多孔性。孔隙度主要来源于层间未熔化的粉末，这可以从图8(d-f)中L-DED不锈钢单层扫描轨迹的SEM显微图中得到证实。可以看出，随着进给速度从6.5 g min-1增加到9.8 g min-1, L-DED沉积的316L钢的单轨表面出现了更多的未熔化粉末。

更重要的是，对L-PBF制备的316L不锈钢的大量研究表明，这些未熔化的粉末颗粒和生成的气孔可能是变形过程中裂纹的来源或扩展区，从而显著降低了其力学性能，特别是韧性和抗疲劳性能。一般来说，LAM加工试样疲劳失效的原因主要与裂纹的萌生有关，裂纹的萌生主要来自表面或亚表面的凝固缺陷，包括气孔和未熔化粉末。Liverani等报道，在疲劳试验过程中，裂纹形核位点与亚表面(圆柱形试样)附近未熔化粉末颗粒的存在有关，如图14(a)所示。Yadollahi在拉伸试验(圆柱形试样)中也报道了类似的结果。如图14(b)所示，裂纹扩展路径被观察到是由于这些未熔化的粉末颗粒的存在而发生偏转。虽然裂纹萌生取决于合金的机制以及应用应力/应变水平(即低和高循环疲劳),un-melted地区(即夹层腔、空洞和粉末)接近表面发现不利于抗疲劳强度由于他们提供高压力浓度。

此外，这些未熔化区和粉末对塑性也有显著的负面影响，特别是对高强度钢。如图14(c,d)所示，在制备17-4析出硬化(PH)不锈钢的L-PBF拉伸断口上可以观察到缺陷(空洞、未熔化区和粉末)，这是由于制造过程中未熔化造成的。此外，在应力过程中，颗粒-基体界面的脱键和开裂也会导致空洞形核。与疲劳断裂相似，在拉伸载荷作用下，这些未熔化区域也可作为裂纹的形核点。

图14 (a)亚表面缺陷内未熔化的颗粒，导致裂纹形核;(b)疲劳断口扩展区未熔化颗粒引起的二次裂纹和路径偏差，插图显示扩大的区域;(c) 17-4 PH值的L-PBF不锈钢拉伸断口的低放大率和(d)高放大率，箭头表示未熔化的粉末颗粒。

层厚度
设置正确的层厚对于保持零件的几何精度非常重要，由于沉积喷嘴(L-DED)或粉床工作台(L-PBF)沿着平行于建筑方向的Z方向移动，因此也被称为Z增量或切片厚度。值得注意的是，预先设定的层厚不能视为印刷层厚，印刷层厚取决于熔体池的实际深度。这通常是由所有参数的组合控制的。在这篇综述中，术语“层厚度”是用来指设置层厚度。在实际应用中，通常将层厚设置为略高于平均粒径的值。近年来，在L-PBF和L-DED技术中，研究了层厚对钢性能的影响。

Bi等通过监测熔池的红外(IR)温度信号，研究了z增量(设置层厚度)对L-DED构建的316L样品质量的影响。结果表明，随着z增量从0.05增加到0.25 mm，样品顶面由光滑变为高度波动/不均匀，说明z增量较大的薄壁样品尺寸精度较差(图15(a,b))。这是因为印刷层厚度或熔池深度与高设定的0.25 mm的z增量值不匹配。因此，在几层后，熔池转移到粉末喷射的发散部分，从而少量粉末沉积到熔池中。

图15 (a、b)用L-DED打印的316L薄壁前视图，尺寸为0.05和0.25 mm，分别为[56];(c)不同层厚和扫描速度(激光功率= 50 W)的316L钢激光烧结轨迹俯视图。

对于L-PBF工艺，研究发现，设置层厚度越高，孔隙度越高，如图6(d)和图7(f-h)所示。图15(c)综合了层厚和扫描速度对L-PBF构建的316L不锈钢单轨行为的影响。在厚度小于50 μm时，所有316L粉末(-25 μm)与激光光斑(70 μm)内的激光辐射相互作用，形成连续轨迹。在恒定的扫描速度下，在临界层厚度上，单轨由连续转变为不连续，如图15(c)中的虚线曲线所示。在建立在临界层厚度之上的轨道上，可以识别出严重的球化现象。临界层厚度与高孔隙率有关，因为夹层未融合。此外，从图15(c)中还可以看出，为了保证单轨的连续，扫描速度越低，临界层厚度越大。这是因为较低的扫描速度与较高的激光能量输入相关联，从而能够熔化较厚的粉末层。

在连续轨迹的临界值以下，降低层厚可以细化L-PBF钢的组织。如图16(a-c)所示，L-PBF生产的304钢的奥氏体晶粒随着层厚从150 μm减小到60 μm而不断细化。此外，这些颗粒中的细胞亚结构也被相应地细化，如图16(d-f)所示。这种微观结构的细化主要归因于相对较高的冷却速率与较低的层厚有关。

Mazumder等人的实验结果证实了LAM期间的冷却速率既依赖于层厚又依赖于比能(见图17)。从图17(a)可以看出，随着层厚的减小，冷却速率显著增加。因此，在L-PBF制备的钢中，厚度越薄，冷却速度越快，组织越细。

图16 (a - c)光学和扫描电镜(d - f)在激光功率密度为104-105 W mm-2的截面上拍摄的304钢L-PBF的显微照片，其层厚度分别为60 μm (a,d)、100 μm (b,e)和150 μm (c,f)。样品沿着平行于建筑平面的剖面(即XY剖面)进行查看。

图17 层厚(a)和比能(b)对L-DED型钢H13模具钢冷却速率的影响。

需要指出的是，上述解析模型(即式(3))估算的冷却速率仅反映了整体的冷却状态，并不能反映熔池的热历史演化。热历史(如热梯度和冷却速率)随熔池中的位置而显著变化，这一点在LAM和焊接过程中都得到了证实。这导致了熔池组织和力学性能的不均匀性。由于在实验中很难监测这种小规模熔体池中凝固过程，这种熔体池在任何给定点只存在几十微秒，因此通常通过数值模拟来估计熔体池内的热历史，例如Grong等人描述的模型。然而，建模的精度高度依赖于选择适当的输入参数和网格。

分层策略
基于零件不同的几何形状或结构特征，分层切片策略也会发生变化。如图18所示，Xu等将已发表的切片方法分为三大类:L-PBF和L-DED系统中采用的传统切片方法(即基本和自适应切片方法)、L-DED系统中采用的多向切片方法和无分层切片方法。在本文中，术语“无层明智切片”被替换为“自由方向切片”，以避免争议，因为部件仍然使用所谓的“无层明智切片”方法逐层打印(参见图18)。

图18 基于LAMed样本几何特征的切片方法示意图。

对于几何形状简单、无悬垂、特征精细的零件，通常采用基于分层的基本切片方法，将CAD模型沿预定的方向进行平行切片。但是，基本的切片方法会生成具有阶梯状特征的表面，导致表面光洁度较差，特别是对于曲面高度弯曲的零件。LAM零件上的阶梯状特征被称为“阶梯效应”，该效应通过层厚和表面倾角来量化。与基本切片方法中采用的等层厚度方法不同，自适应切片方法考虑CAD模型沿建造方向的几何形状，随层厚度变化，以减少楼梯效应，提高表面光洁度，减少建造时间。

通过对L-PBF系统中粉床厚度和L-DED过程中喷嘴尖端高度等加工变量的实时动态控制，实现了自适应切片策略。这种策略虽然可以降低楼梯效应，但无法处理具有悬垂特征的复杂结构。对于悬挑结构，不可避免地需要支撑结构，这既费时又耗材料。作为一种替代方案，针对相对复杂的形状，提出了多方向切片，目的是缓解楼梯效应，去除支撑结构。多方向方法没有采用单向并行切片策略，而是相应地旋转分支结构的切片方向(如图18中的0°和90°)。然而，当旋转具有分支结构的样本的方向时，可能会发生碰撞。此外，多方向切片法仍不能消除阶梯效应。此外，对于有内腔的复杂零件，实现起来很复杂，计算起来也很昂贵。

为了克服上述问题，Ruan等人和Wang等人提出了L-DED系统的几种自由方向切片方法。这些方法涉及非平行和可变的分层方向，从而导致分层厚度不均匀。从理论上讲，自由方向切片方法可以解决无限方向维度复杂性问题，并能较好地逼近无支撑结构的复杂曲面。然而，自由方向切片方法的应用提出了更高的要求，包括解析模型、层厚控制系统和多轴机器人设备。到目前为止，自由方向切片方法在LAM过程中的应用报道较少，需要做更多的研究。

(a) - (b): XY (build)平面上形状相似;(c) - (d):对应的XZ(profile)平面图显示不同的熔体池深度。

Raghavan等人将实时熔池温度与亚表面温度、冷却速度以及通过DLD制备的Ti-6Al-4V零件的后加工机械性能联系起来。采用焊接模型来逼近LENS过程，并建立传热和液态金属流动模型来计算Ti-6Al-4V合金激光加工过程中的熔体池形状和热循环。结果表明，对于LBAM需要一种更全面的控制方法，因为仅基于保持目标顶面几何形状的反馈控制可能会受到限制。结果表明，仅监测/控制熔体熔池表面积不足以生产出目标零件的质量。

这主要是因为顶面熔体几何形状的监测并不能提供足够的信息来准确预测熔体池深度。尽管顶面轮廓相似，但整个池的几何形状可以有很大的变化，如上图所示。此外，由于峰值温度与熔体池几何形状之间的明显相关性并不明显，仅基于熔体池顶表面温度廓线的热成像可能难以准确实现过程控制。Raghavan等人还证明，随着零件本体温度的增加，以及通过修改激光功率来控制熔体池形状，可以观察到局部凝固的变化——这表明在利用熔体池空中形状/激光控制显微组织方面存在缺陷。

由于高几何复杂性零件的LAM加工尚未商业化推广，与其他参数(如激光功率和扫描速度)相比，切片策略的研究相对有限，特别是对显微组织和机械性能的研究。考虑到层厚的变化直接影响整体能量输入，与切片策略相关的关键问题是微观组织的均匀性，从而影响机械性能。因此，在改变切片策略时，可能需要相应地调整激光功率、扫描速度等其他加工参数，以保持能量输入的一致性，从而保持整个零件的微观结构均匀性。从这方面来看，要想在工业上吸纳高铁，就必须在这方面进行更全面的调查。

样本几何
LAM生产的钢件质量与工艺参数密切相关。因此，可以认为，如果使用相同的加工参数和相同的LAM机器，可以生产出质量稳定一致的零件。然而，一些复杂几何形状的零件在不同的截面内会经历不同的热演化过程，导致零件的微观结构和力学性能不均匀(如晶粒形态、织构、相组成、孔隙率、残余应力等)。因此，建筑几何形状(如不同形状、大小和位置)对LAM生产的钢构件的微观结构的影响是另一个需要解决的问题。

为了研究和理解几何形状对LAM零件的影响，使用L-PBF制作了不同厚度和倾角的316L薄壁结构(图19)。Leicht等人和Alsalla等人报道称，薄壁厚度或构建取向与孔隙/缺陷的发生似乎没有相关性。虽然没有文献报道薄壁厚度和建筑朝向对熔体池几何形状的影响，但考虑到熔体池的形状主要由系统中输入的能量控制，可以忽略这种影响。从微观结构上看，如图19(a)所示，较薄的试样(<0.4 mm)晶粒较小，织构几乎是随机的，而较厚的试样(>0.6 mm)晶粒较大，且<101> 朝向与建筑方向平行。此外，较厚(>0.6 mm)样品的EBSD取向图也显示，在不同的局部位置，晶粒尺寸和纹理也有不同的变化。从图19(a)中还可以观察到，靠近零件表面形成了较细的、纹理随机的颗粒，它们分布在最上层表面~ 150 μm范围内。而所有的大的细长的颗粒形成在中心。在L-PBF 316 l SS、谷物往往成核与前面形成的边界层由于高冷却速率和增长向中心沿着最高温度梯度的样品,和晶粒尺寸的薄壁结构主要是冷却速率。冷却速率和温度梯度的变化导致了晶粒尺寸的不同和择优取向的不同。Leicht认为，表面的冷却速度快于核心，抑制了晶粒的生长。因此，更厚的壁与更细长的纹理更明显的颗粒有关。

图19 EBSD方位图在L-PBF搭建的316L薄壁样品的搭建方向上，不同厚度(a)和倾角(b)。

试样几何形状引起的非均匀性也反映在机械性能上，尤其是疲劳抗力方面。Shrestha等人研究了L-PBF制备的17-4 PH钢在不同几何形状下的抗疲劳性能。研究发现，与大块试样相比，dog-bone几何形状的试样具有更高的孔隙率，因此疲劳强度较低。作者将此归因于dog-bone标本的较高冷却速率，这使得气泡逸出的时间更短。但这需要通过实验或模拟来验证。

虽然在LAM中，样品几何形状的影响很少被报道，但由于它们在加工条件上的相似性，可以从焊接过程中借鉴相关知识。之前的大量研究表明，半径较小的尖焊缝趾在凝固时具有较高的冷却速率。这可能导致不期望的相变(如钢焊接中的马氏体相变)和局部残余应力，使焊缝脆性。此外，与光滑断面相比，锐断面在加载、开裂和降低焊缝疲劳抗力时存在较大的局部应力集中。因此，在激光焊接中，通常可以避免尖锐的过渡，如尖锐的焊接趾、切边和重入角。这些几何特征也应通过优化结构设计或建筑物朝向，在LAM过程中加以控制。

建筑方向
之前的研究表明，即使对于尺寸和形状相同的零件，LAM加工钢的性能也会随着不同方向而变化。如图19所示，与图19（b）所示的垂直L-PBF构建316L样品中<101>的优先晶粒取向相比，当相同厚度的薄壁样品为1 mm以30°和45°的角度建造，更多随机方向如图19（b）所示。这意味着建筑方向对钢零件的晶粒结构和织构变化的影响。不同建筑方向导致的微观结构变化不可避免地会影响其机械性能，包括拉伸性能和抗疲劳性能。

Yadollahi及其同事研究了建筑方向（垂直和水平方向）对L-PBF制造的17-4 PH不锈钢拉伸和疲劳性能的影响，发现垂直构建的样品的伸长率明显低于水平构建的样品（见图20（c））。认为垂直于建筑方向（见图14（d））的平面上形成的层间空洞/孔洞是低延展性的原因，因为此类缺陷是拉伸载荷下孔洞生长和合并的快速路径。此外，建筑方向也导致相位成分的差异，如图20（a，b）中的EBSD方向图所示。尽管两个样品的晶粒尺寸似乎相似，但水平构建的样品具有较高的残余奥氏体含量(～7%）高于垂直样本(～3%) 。残余奥氏体分数的这种差异可被认为是两个样品制造过程中可区分的热历史的结果，尤其是冷却速度。垂直建造的样品比水平建造的样品具有更高的冷却速率。此外，建筑朝向对疲劳性能也起着重要作用。如图20（d）所示，由于垂直建造的样品中存在更多的层间空洞，水平建造的样品显示出比垂直建造的样品更高的疲劳强度。

图20 （a）垂直和（b）水平-L- PBF构建17-4PH不锈钢样品中间区域中选定区域的EBSD和相位图；（c） L-PBF制造的17-4 PH不锈钢在不同条件下的典型工程应力-应变曲线；（d） L-PBF制造的17-4 PH不锈钢在不同条件下的S-N曲线。

有趣的是，建筑朝向的效果因材料而异。与17-4 PH不锈钢不同，垂直构建的L-DED预制304L和316L不锈钢的强度较低，但延伸率远高于水平构建的样品。Griffith及其同事认为，这与可能引发断裂的缺陷有关。然而，根据断口分析，未在层界面处观察到断裂萌生。据作者所知，各向异性拉伸行为很可能与通过外延生长沿建筑方向形成的细长柱状晶粒有关，从而最小化了层间边界。当加载方向与建筑方向垂直时，位错滑移沿横向拉伸方向发生，并在晶界附近堆积。由于沿构建方向的晶粒拉长，沿横向的晶界密度远高于沿构建方向的晶界密度，从而导致更高的位错运动阻力，从而在水平构建的样品中获得更高的强度和更低的延展性。

保护气体
以往激光切割和激光焊接的研究表明，加工气氛对样品质量具有重要作用。Song等人最近的一项研究研究了保护气体(空气、Ar和N2)对用L-DED制作的420不锈钢熔体熔池几何形状的影响。如图5(a,b)所示，保护气体对熔池几何形状有显著影响，但这种影响对工艺参数不敏感。在氩气和氮气气氛下制备的样品具有相似的熔体池几何形状，而在空气中制备的样品显著增加了熔体池的宽度和高度。这是由于L-DED在空气中的剧烈放热氧化，增加了粉末吸收的有效能量。这种氧化过程也消耗了钢内的溶质元素(如C和Cr)，降低了几何精度。

此外，控制保护气体成分似乎是另一种有效的方法来调整LAM加工钢形成的组织。如Rafi等报道，保护气体对17-4PH钢组织的影响与粉末原料的使用密切相关。对于氩气雾化法制备的粉末，无论保护气体(Ar或N2)是氩气还是氩气，均可在试样中获得马氏体组织。而对于17-4PH钢，N2气氛比Ar气氛显著提高了奥氏体的含量。此外，纳米颗粒在18Ni-300钢基体中随机分布，形成core–shell结构，core中为氧化铝，shell中为氮化钛(TiN)。Shamsdini和同事认为，通过Marangoni效应，被捕获的氮形成了被Al2O3壳包围的球形TiN。这说明LAM过程中的气(如氩气或氮气)对马氏体时效钢的二次相和性能有显著的影响，特别是那些含有化学活性Ti的马氏体时效钢。

加工参数的交互作用
流程映射
本文综述了各工艺参数对激光焊接钢几何精度、显微组织和机械性能的影响。然而，在大多数情况下，它们的影响是相互影响的。因此，开发了各种工艺图来详细说明和理解不同参数的综合影响，特别是激光功率和扫描速度。根据输出变量，当前可用的LAM流程图可以分为三组。它们是热图(如冷却速率和热梯度)、缺陷图(如孔隙度)和几何图(如熔池大小和单轨形态)。在这三组中，热和熔体池大小过程图通常是基于解析和数值结果创建的，这已经由Shamsaei等人审查和评估。一个典型的熔体池尺寸过程图可以展示熔体池长度如何受基板归一化高度和熔体温度的影响;而热过程图显示了归一化熔体温度和熔体池内相对深度对冷却速率/热梯度的影响。根据Shamsaei等人的研究，虽然从地图上的预测提供了大规模L-DED过程中最优工艺参数的可能范围，但由于模型外推的误差，仍然存在不准确性。此外，大多数基于模拟的热或熔体池尺寸过程图尚未得到实验验证，因为在LAM过程中难以测量熔体池的冷却速率和热梯度。因此，在本节中，重点是直接从实验结果建立的过程图，其中加工参数被用作输入变量。

图21(a - d)为L-DED和L-PBF过程图，显示了激光功率和扫描速度对粉末熔化效率和熔池缺陷或316L不锈钢单轨缺陷的综合影响。在图21(a)中，四个区域代表了使用L-DED搭建316L单轨时不同的粉末熔化行为。在区域I内，激光由于能量输入过多而导致等离子体的形成，从而不会发生熔化。在第二区域，由于能量输入不足，金属粉末只有部分熔化。区域III对应于不完全熔化和球化。区域IV表示激光功率和扫描速度的适当组合，导致粉末完全熔化。此工艺图是316L不锈钢最早的工艺图之一。因此，需要验证其重现性。值得注意的是，与L-PBF相比，L-DED预制钢的加工图有限。然而，考虑到L-DED和L-PBF在熔体熔池中形成的紧密的物理冶金，这两种方法的缺陷随工艺参数的演变趋势相似。

图21 (a) L-DED 316L钢，(b) L-PBF建造316L钢，(c) L-PBF建造314L钢，(d) L-PBF建造316L钢，(f) L-PBF建造超高强度钢;(e)不同激光功率和扫描速度下L-PBF制备的17-4 PH钢的孔隙度过程拟合图。

使用L-PBF制造不锈钢单轨的工艺图如图21(b-d)所示。这些地图取自不同的参考文献。从图21(b,c)可以看出，较高的激光功率和较慢的扫描速度更容易产生连续的全密度迹线，如图21(b)中的区域IV和图21(c)中的区域b所示。低激光功率与高扫描速度相结合，可以导致无熔体或高孔隙率的部分熔体。在高功率和高速条件下，单齿或离散或成球。低功率和低速度相结合，意味着没有熔化或部分熔化。然而，Yadroitsev和同事的结果]如图21(d)所示，表明即使在低得多的激光功率下，在特定的扫描速度范围内也可以形成连续而密集的轨迹。这种不一致可能归因于所使用的机器的不同，这与处理参数的不同设置有关。此外，工艺图也因材料而异。从图21(b,c)所示的L-PBF工艺图中可以发现，当激光功率超过175W左右时，产生了全密316L的轨迹，而生产314L钢单轨所需的最小值为40 W左右。这一结果意味着需要为单个合金建立工艺图。

为了研究激光功率(P)和扫描速度(V)在LAM过程中对孔隙度钢的联合影响，Tapia和同事开发了一个基于空间统计的框架来预测L-PBF制备的17-4PH钢的孔隙度，以尽量减少实验次数。如图21(e)所示，基于实验数据，采用基于高斯过程的预测模型拟合出不同功率-速度组合下的孔隙度过程图。从图21(e)中可以识别出导致低孔隙度为0.325%的最佳加工参数。P = 50 W, V = 275 mm s-1。不幸的是，这种最优功率-转速组合可能不适用于316L不锈钢和超高强度钢(AF9628)，因为根据图21(d,f)所示的工艺图，如果使用这些参数，会出现单轨不连续和熔合不足的情况。

此外，如前文所述，改变工艺参数不仅控制了缺陷类型和分数，还影响了形成的显微组织和相组成，协同影响了LAM加工钢的机械性能。因此，在过程图中包含这些特征将是卓有成效的，它可以提供更全面的指导，以最大限度地提高样品质量。这可以参考Dye等人之前的工作，在该工作中，IN718合金的可焊性图是通过考虑缺陷形成和显微组织特征的精确数值模拟来开发的。


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.