激光粉末床熔覆金属中孔隙率的形成、评估和影响

来源：长三角G60激光联盟

据悉，《Opto-Electronic Advances》的新出版物讨论了通过激光粉末床熔炼额外制造的金属中孔隙度的形成、评估和影响。

论文大纲。（a） LPBF打印金属中的两类孔隙及其形态特征；（b）打印金属的拉伸性能与孔隙率之间的关系；以及（c）潜在的研究机会。

增材制造（AM）技术，也称3D打印，是制造技术领域的一颗新星。AM技术以直接从数字模型中解除设计和制造产品的几何约束而闻名。材料在AM加工过程中被“添加”，使其成为与传统的减法和成形制造相对立的显著特征。各种材料，包括金属、金属间化合物、聚合物、陶瓷和复合材料，都可以增材制造。

激光粉末床熔炼（LPBF，又称选择性激光熔炼）是一种基于粉末床的AM技术，是激光工程的一个新分支。使用LPBF可以以优异的质量和精度成型大量的金属材料，最近吸引了大量的研究和工业兴趣。然而，LPBF印刷金属的缺陷一直是应用中长期关注的问题。当打印偏离其优化范围时，会形成缺陷。气孔、未熔合（LOF）、不良夹杂物（例如未熔合颗粒）和裂纹是LPBF印刷金属产品中常见的缺陷。对缺陷和相关机械效应的研究对于LPBF印刷金属产品的鉴定和应用至关重要。

LPBF处理示意图。

作为一种危害较小但最普遍、难以消除的缺陷，孔隙率对LPBF印刷产品的性能有重大影响。如何阐明孔隙度的形成过程并有效抑制它？如何正确测量和评估孔隙度？孔隙率对常见结构金属的机械性能有哪些主要影响？本文的目的和范围是为上述问题提供最新的答案。在最近和经典文献的基础上，向读者介绍了LPBF印刷金属中孔隙率的一站式通用解释，以及详细的数值分析。

本文从孔隙度的形成和评价入手。第一部分阐述了两种孔隙度（气体孔隙度和LOF孔隙度）的形成机制。综述了近年来利用先进的显微CT和同步辐射X射线成像技术进行的研究，以展示其形成过程。此外，还讨论了孔隙度的关键描述符和四种主流测量/评估技术，以分析其优缺点和适用范围。此外，还详细研究了拉伸和循环载荷条件下孔隙率的影响和临界指标。

LPBF打印金属中检测到的（a）气体孔隙度和（b）LOF孔隙度的代表性横截面和3D重建。（b）中的虚线圆圈表示未熔化的原料粉末。

回顾了200多项研究工作，介绍了LPBF印刷金属中孔隙率影响的力学概念、数值模型、模拟结果和实验观察。介绍了LPBF打印Ti-6Al-4V合金、316L钢、Inconel 718合金和AlSi10Mg合金的丰富拉伸性能。孔隙度的可接受程度随特定金属的延展性而波动。因此，根据收集的数据，提出了原始统计模型，以建立四种代表性金属的孔隙率与拉伸性能之间的相关性。弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度和断裂应变的拟合方程可以简单地基于孔隙率值快速估计关键力学性能。

代表性的3D重建图(a) Ti - 6Al - 4V样品孔隙分布和(b)特定孔隙视图。

讨论抑制孔隙度形成的三类方法，旨在为工程应用提供进一步的帮助。在最后一部分，本文总结了AM社区当前面临的主要挑战和一些悬而未决的成果。随着物理理论和模型的发展，孔隙度的形成可以精确控制，甚至可以在未来使用改进的设备就地消除。LPBF印刷金属中的孔隙率甚至可以被有意用于实现特定功能。总之，本文回顾了近期和经典研究，阐明了孔隙度的关键概念，并提出了具有显著工程意义的原始数值模型。AM技术目前发展迅速。在这一点上，本文对LPBF打印金属中孔隙率的关键问题进行了系统的、最新的综述。它应该引起研究界和AM行业的兴趣。

X射线CT局限性的对比说明。（a）LOF孔隙的显微图像；（b）用X射线CT和阿基米德法检测的孔隙的比较；以及（c）通过CT和共焦显微镜（CM）检测的316L样品中相同横截面的比较。

来源：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