顶刊《Acta Materialia》：揭示粉末扩散对激光粉末增材制造金属产品质量的影响机理

来源：材料学网

导读：本文进行了一系列粉末扩散和熔化实验，以研究扩散速度在激光粉末增材制造中的作用。在单层实验中，高速粉末扩散确实降低了粉末层的包装密度。然而，具有各种高粉末传播速度的立方样品的多层LPBF工艺是成功的，样品的缺陷更少，因此机械性能更好，特别是疲劳寿命，这违反直觉，以前从未报告过。研究发现，无论粉末扩散速度如何，实际粉末层厚度都会因粉末熔化过程中的收缩而逐渐增加，但总是在10层中达到稳定状态，其中沉积的致密层厚度等于名义粉末层厚度，从而达到相似的熔化条件和质量。这项研究对粉末传播速度在LPBF中的作用提供了前所未有的见解，并纠正了高速粉末传播总是不利的不准确直觉，这为提高LPBF的生产力和部分质量提供了更潜在的解决方案。

激光粉末床融合（LPBF），也称为选择性激光熔化或直接金属激光熔化，是目前主要的金属增材制造技术之一，能够准确灵活地制造复杂的近网形金属零件。LPBF包括两个基本程序：粉末扩散和粉末熔化。在粉末扩散过程中，建筑平台降低一定距离（即标称粉末层厚度），金属粉末颗粒由刮板/滚筒铺在基板上。在粉末熔化过程中，根据CAD轮廓数据，使用高功率密度激光束选择性地熔化粉末床。重复这两个基本程序，直到零件完全制造出来。

除了实现良好的机械性能外，高生产率是LPBF技术遇到的另一个突出挑战。由于加工效率相对较低，LPBF主要限于制造高端组件，最常见的是在航空航天和医疗行业。粉末熔化过程进行了大量研究，通过调整加工参数来提高制造零件的质量。在这些处理参数中，可以通过提高激光扫描速度、舱口间距和层厚度来缩短构建时间。然而，不良反应通常使零件质量下降。例如，随着线性激光能量强度的降低，激光扫描速度和舱口间距的增加可能会过度增加聚变缺陷的数量，如孔隙、裂纹和球状。使用更大层厚度的缺点是体积激光能量强度降低，这将导致缺乏融合和尺寸精度降低等不良特征。虽然可以通过增加激光功率来保持激光能量强度，以实现完整的粉末聚变，但在高激光功率下，金属蒸汽射流和钥匙孔的融合缺陷将是另一个问题。据我们所知，到目前为止，这种关于粉床质量与制造零件质量之间相关性很少被调查和验证。

新加坡国立大学联合华中科技大学进行了各种粉末传播速度的LPBF实验，以制造单层和立方样品。研究了已构建样品的孔隙度、力学强度和几何精度等性能。为了解释单层和立方样品制造质量之间的逆直觉差异，进一步制作了楼梯样品，以揭示逐层LPBF工艺背后的收缩和补偿效应。为了评估粉末传播速度变化的热条件的影响，我们设计并进行了粉末传播后操作延迟的LPBF实验，以确保不同粉末传播速度的冷却时间相同。这项工作旨在为“高速粉末扩散真的不利于LPBF的零件质量提高吗？”的问题提供全面的答案。相关研究成果以题“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 422002865#fig0008Is

1）对于给定的粉末层厚度，较高的粉末扩散速度会导致较低的填料密度和聚变比，对于前几层的制造来说，高扩散速度似乎是不可取的。然而，由于粉末床融合过程中的收缩，实际粉末层厚度逐层增加。实际粉末层厚度的这种增加逐渐提高了包装密度，从而提高了该层的融合比，这被称为补偿效应。在收缩和补偿的综合作用下，沉积致密层能够在大约10层内达到稳定状态，其厚度等于衬底的降低高度（即名义层厚度），即使采用更高的扩散速度。因此，样品可以以高粉末传播速度成功制造，机械性能可以稍微好一点。

2）通过提高扩散速度减少孔隙和裂缝等聚变缺陷，主要归因于层间冷却时间缩短。然而，热条件的具体影响因扩散速度而异，对显微结构（如相含量）取决于材料特性。

3）高速粉末扩散的一个主要缺点是降低了建筑方向的尺寸精度。在本研究中使用的粉末传播速度和激光能量密度中，激光扫描速度较大，恒定的激光能量密度可以增加粉末层的聚变比，从而减少高度偏差。

图1 实验：（a）LPBF设备；（b1）粉末扩散原理图和（b2）在基材上铺设的粉末床；（c）单层和立方试样的制造参数；以及（d1）楼梯试样的草图和（d2）一个制造的楼梯标本。

图2 Hastelloy-X合金粉末的单层实验。粉末传播测试的传播速度为20-240毫米/秒，标称层厚度为30微米：（a）相对填料密度ρP和（b）铺面粉末床的CLSM高度图。激光功率P为400瓦，扫描速度u为0.8米/秒的粉末熔化测试：（c）单轨和（d）单层横截面的光学显微照片。

图3 用Hastellaoy-X合金粉末制成的立方试样，传播速度V从20到240毫米/秒不等，标称层厚度HN为30微米，舱口间距为100微米：（a）用激光功率P为100～400 W，扫描速度u为0.1 ～1.1 m/s的立方试样；通过阿基米德方法测量（b1）所有立方体和激光功率为（b2）100 W、（b3）200 W、（b4）300 W和（b5）400 W的立方体的相对密度ρC。在（b1）-（b5）中，线性激光能量密度定义为λ = P / u，并以对数形式绘制。

图4 光学显微镜图像，由Hastelloy-X合金粉末制成的立方试样的横截面，传播速度为V为20、120和240 mm/s，线性能量密度分别为250、500和3000焦耳/m。S136模具钢粉和K21镍基高合金粉末的类似结果包含在图中。补充材料的S1。

图5 用不同传播速度的Hastelloy-X合金粉末制成的拉伸样品的典型微观结构和力学性能，其中激光能量密度为500 J/m（P = 400 W，u = 0.8 m/s）：（a1）颗粒形态，（a2）颗粒尺寸分布，以及（a3）EBSD测试样品的相位含量；（b）拉伸测试结果；以及（c）疲劳测试结果。相位含量和AVG粒大小从每个样本部分随机采摘的五个区域中平均。高循环疲劳测试的测试频率为20赫兹，应力比为σmin/σmax= 0.1，其中最大应力σmax = 480 MPa根据屈服强度确定。S136模具钢样品的类似测试结果包含在图中。补充材料的S2。

图6 显示实际粉末层厚度hA和沉积稠密层厚度hM的演变的示意图，这些变化是由逐层收缩引起的，其中HN是标称层厚度。

图7 根据等式，显示（a）实际粉末层厚度hA和（b）沉积稠密层厚度hM的演变，根据等量。（4）。标称层厚度HN为30微米，融合比ρF从5%到50%不等。

图8 显示LPBF过程中相对填料密度ρP和聚变比ρF之间相关性的示意图。

图9 Hastelloy-X合金粉末具有不同传播速度V和实际层厚度hA的单层粉末扩散试验：（a）CLSM对粉末层的形态；以及（b）粉末层的相对包装密度。

图10 由Hastelloy-X合金粉末制成的楼梯标本，传播速度不同，其中标称层厚度为30微米，激光功率P为400 W，激光扫描速度为0.8 m/s：（a）楼梯样本的照片；（b）楼梯样品的CLSM高度图示例（V = 20 mm/s）；以及（c1）楼梯设计的总高度T设计和楼梯实际总高度Tmelt的演变，以及（c2）实际层厚度hA，（c3）从CLSM高度图计算的每层沉积稠密层厚度hM和（c4）聚比ρF的演变。

图11 楼梯标本的高度偏差D

图12 用Hastelloy-X合金粉末制成的楼梯的（a）稳态融合比ρF、S和（b）稳态高度偏差DS的变化。标称层厚度HN为30μm。采用20、120和240毫米/秒的传播速度。激光扫描速度u为0.2、0.4、0.6和0.8 m/s，激光能量密度λ为500 J/m，相应的激光功率P分别为100、200、300和400 W。

图13 分别由V = 20 mm/s、V = 240 mm/s和V = 240 mm/s制成的Hastelloy-X合金立方试样，并具有操作延迟：（a）显微镜图像；以及（b）用X射线衍射法评估的残余应力。在V = 240 mm/s并延迟的情况下，每层粉末扩散延迟18.33秒，使熔融层的冷却时间与V = 20 mm/s时相同。S136模具钢粉和K21镍基高合金粉末的类似实验包含在图中。补充材料的S1和S2。

由于这项研究表明，高速粉末传播对零件质量并不不利，甚至有益，因此提高粉末传播速度应被视为提高LPBF生产力甚至零件质量的有效可行方法。这使LPBF能够获得更多自由和更大的处理参数空间，以定制微观结构和机械性能。应该指出，传播速度对制成零件的晶体结构和力学性能的具体影响也取决于材料特性，这需要在未来的工作中进一步研究。