来源：长三角G60激光联盟
导读：据悉，本综述旨在概述LPBF工艺中使用的钢和铁基合金的关键工艺参数，描述与凝固过程中的相变和微观结构演变密切相关的热物理现象，重点介绍冶金缺陷及其潜在控制方法，以及各种后处理的影响。本文为第二部分。
2.激光粉末床熔化过程的热物理现象
LPBF过程通常会经历一个高度复杂的现象，由发生在不同时空尺度上的动力学和热力学机制控制。典型LPBF工艺的粉末床、熔融熔池和凝固阶段中发生的重要热物理现象在以下三个小节中进行了解释（2.1激光粉末床相互作用期间的热物理现象，2.2熔融熔池内的热物理效应，2.3凝固阶段内的热物理现象）。
2.1.激光粉末床相互作用过程中的热物理现象
聚焦激光束照射粉末床表面，导致形成更复杂的非均匀传热现象，如粉末床辐射（激光束与粉末颗粒之间）、对流（粉末床与环境之间），以及最终的热传导（粉末层和建筑基底之间，和/或粉末层内部）（见图8a），取决于材料的各种物理和光学特性。聚焦激光束吸收受斜表面颗粒通过孔隙的多次反射控制，然后穿透并进一步散射到更大的深度，有时可以达到粉末层厚度的范围，如图8b所示。光子能量转换为热能，热能在粉末层中耗散。
图8 LPBF过程中热物理现象的示意图（a）各种传热现象，（b）激光束和粉末床之间的相互作用。
通常假设入射激光束在粉末床上的空间功率密度分布遵循高斯分布，相关的2σ（标准偏差）值通常被用作激光束光斑大小。典型的激光光斑直径从25μm到100μm不等，层厚介于25μm和50μm之间，具体取决于粉末形态和构建材料。激光器的选择取决于粉末材料的吸收率。
（a）粉末层表面上的热分布，（b）粉末层表面的俯视图，（c）模拟熔池横截面的尺寸，以及（d）熔池横截面积的实验尺寸。
2.2.熔融熔池内的热物理现象
一旦聚焦激光束击中粉末表面上的局部位置，即达到熔化温度，激光束立即熔化粉末，导致从固体液滴到液滴的相变，从而形成具有连续熔化轨迹的熔融熔池（理想情况下）。由于高速激光束照射到金属粉末上产生的高热梯度，形成的熔融熔池经历了由浮力、重力、表面张力和毛细管力驱动的非常复杂的物理现象。熔融熔池内的热量传递主要由热毛细对流或Marangoni对流控制，后者将熔融液态金属从较热的激光光斑驱动至冷后方（见图9），受温度依赖的表面张力和粒子堆积结构（PAS）形成机制的影响。表面张力、毛细管力、润湿行为以及惯性效应被视为主要驱动力。粘性和重力被认为是通过吸引或排斥单个粉末颗粒而影响熔池动力学、热力学、几何形状以及周围粉末形态的次要效应。一次力和二次力的相互作用将决定熔体轨迹的稳定性和最终几何形状。熔融熔池的形状通常由表面张力和毛细管流控制，因此可以通过调整激光加工参数来控制。
图9 LPBF过程中Marangoni对流（流动）示意图。
2.3.凝固相内的热物理现象
熔融熔池开始凝固时，冶金微观结构立即建立。凝固微观结构决定了最终LPBF制造产品的宏观性能。凝固微观结构的相变通过晶粒形态和晶粒纹理来区分，晶粒形态和纹理受普遍的空间温度梯度、冷却速度以及凝固前沿速度的影响。LPBF过程中的凝固过程分为两个区域；第一个区域包括与激光束直接接触的温度场（熔合区）和热影响区（HAZ）。
在给定激光功率P = 300 W和扫描速度(a) V = 1800 mm/s和(b) V = 1500 mm/s条件下，熔池尺寸的模拟结果与实验结果的比较。
2.4.钢材LPBF工艺热物理现象相关研究综述
根据现有文献，有三种计算模型，即分析模型、经验模型和数值模型。分析模型侧重于过程的物理方面，它们往往有助于优化过程参数。这些模型需要很长的计算时间来捕捉熔融熔池的复杂热物理现象。分析方法能够以不同的预测精度对过程物理部分进行建模，它们不包含多种物理，因此效率较低，因为LPBF过程涉及更复杂的物理。
随机粉末床。（a）旋转随机包装的雨量模型示意图。（b）雨模型产生的粉末床。（c）通过移除一些颗粒来调整相对密度。（d）真实粉末床（钛合金）的横截面。
2.5激光粉末床熔凝工艺的凝固理论
为了了解LPBF加工零件的微观结构形成和性能演变，确定凝固理论和相关热行为至关重要。
在传统焊接或类似工艺中，形核始于熔合线中作为衬底的现有母材晶粒，这些晶粒通过外延生长向焊缝中心生长（见图10）。由于熔融熔池与基底金属颗粒紧密接触，所以它（熔融熔池）完全润湿了这些基底金属颗粒。均匀形核通常需要更大的时间尺度，这在LPBF过程中是无法实现的。成核通常在基体金属颗粒表面和液态金属池之间的固液界面处开始。凝固开始于熔融熔池边界，并朝向熔池本身的中心。LPBF过程在熔池边界诱导非均匀形核，外延晶粒随柱状凝固前沿生长。这些晶粒在垂直于熔融熔池边界的方向上随机生长，并沿着最大温度梯度生长，这有助于实现最大的热量抽取和最大的过冷度。由于外延成核，每个晶粒内的柱状树枝晶或细胞倾向于沿择优结晶方向生长〈100〉。这是立方晶体（包括面心立方（FCC）和体心立方（BCC）金属）的有利晶体生长方向或通常观察到的凝固织构。晶体取向主要取决于扫描策略。具有〈100〉强织构的钢在LPBF过程中柱状晶粒的生长优先与构建方向（Z轴）对齐。
图10 LPBF工艺中外延生长的示意图，类似于传统焊接。
众所周知，金属合金的定向凝固微观结构是由两个表观参数的影响决定的：固液界面“G”处的温度梯度和凝固前沿（或凝固速度）的增长速度“R”（见图11）。G和R共同主导凝固微观结构。温度梯度和生长速率（G/R）之间的比值决定了凝固晶粒的形态，而这两个量的乘积（G*R）决定了凝固区间内材料的冷却速率，因此控制了产生的微观结构的尺寸。LPBF过程中熔融熔池的快速冷却和快速凝固主要取决于能量密度和扫描速度。如图11所示，随着组分过冷度的增加，凝固过程中的微观结构演变经历了从平面前沿到等轴枝晶的形态转变。
图11温度梯度G和生长速率R对凝固微观结构的形态和尺寸的影响。
平面微观结构中不存在组分过冷区，因为固液（S/L）界面前部的温度梯度Ga相对较高，但液相的实际温度高于液相线温度（TL）（见图12a）。由于平面晶体界面的不稳定状态，在S/L界面处形成了许多小的、等距的、棱柱状的六角形截面晶粒，这些晶粒延伸到过冷液体中（图12b）。当亚晶界的相应TL减小时，组分（溶质）被排斥在横向亚晶界。当温度梯度Gc进一步降低时，已经形成的细胞晶体微结构会在液体内部深入渗透较长的深度，也会导致横向的组分过冷（图12c）。柱状或等轴枝晶与液相在敏感区域共存称为糊状区。值得注意的是，在这个糊状区域中存在着非常高的组分过冷度（图12d）。这一现象归因于温度梯度、结晶速率、激光能量的高斯分布以及不同区域熔融熔池的过冷度分布。因此，预计凝固微观结构中会形成不同类型的晶粒。
图12 组分过冷对凝固模式的影响：（a）平面；（b）蜂窝式；（c）柱状树枝状；（d）等轴枝晶（S、L和M分别表示固态、液态和糊状区）。
显然，激光功率、扫描速度和不同的构建方向会影响LPBF构建部件的晶粒特征。延伸晶粒（图13a）在建筑方向上很常见，而等轴晶粒在横向上很明显（见图13b）。更快的冷却速度有时会影响亚结构晶界的形成，由于表面上均匀分布的细枝晶，导致硬度和耐磨性更高。
图13 （a）构建方向上的细长晶粒和（b）横向上的等轴晶粒的电子背散射衍射（EBSD）图像。
3.冶金缺陷的形成及其潜在控制方法
冶金缺陷的形成，如：球化、气孔、小孔、裂纹、金属夹杂物、残余应力、翘曲、分层、氧化、合金元素损失、剥蚀等，以及表面粗糙度。在金属LPBF过程中，通常会观察到阶梯效应、部分熔融/未熔融颗粒、飞溅、再进入特征等（见图14）。工艺参数的不正确选择可能会在LPBF制造零件中引入不可避免的冶金缺陷和表面粗糙度，从而对最终的微观结构、表面纹理、物理和机械性能产生不利影响。
图14 LPBF过程中出现的各种冶金缺陷和表面粗糙度列表。
3.1. 球化现象
球化现象用Plateau-Rayleigh毛细不稳定性描述，当沉积的熔体轨迹有时倾向于破碎成半圆柱形或球形时，就会发生球化现象。这种现象取决于工艺变量，如扫描速度、表面张力、沉积材料的粘度和密度。球化现象是LPBF工艺中被视为严重加工缺陷的关键表面缺陷之一。表面张力和润湿性对熔池的形成有较大的影响。表面张力和毛细力的结合促使熔池收缩到其较低的表面能状态（球体），当单个熔体轨道的聚合与底层基板接触不良时，会导致成球缺陷的形成。换言之，由于存在表面杂质，当沿熔融熔池表面和晶界存在的液相未能完全润湿剩余的固体颗粒和底层衬底时，也会出现成球缺陷。波纹缺陷会导致材料堆积，严重影响扫描轨迹的表面质量，导致LPBF制造的316L不锈钢表面粗糙度较差。
当激光束入射到粉末床上时，粉末颗粒表面的局部位置立即开始熔化。周围粉末颗粒之间形成了从固体到液体熔融“簇”的相变，导致表面积减小，从而导致结块。选定的激光光斑尺寸通常大于（起始）粒子尺寸。当粉末颗粒熔化在一起时，较小的团聚体逐渐长大，并必然形成明显较大的团聚体（粗化）。随着这一过程的继续，熔融熔池表面张力的进一步降低，倾向于形成球状结构（成球）。这些形成的球状结构的尺寸比原始粒度大几倍（见图15）。
图15 成球现象示意图。
高表面张力和粘度是增强成球起爆的两个重要水动力。激光能量密度越高，产生的热量越多，形成的几何尺寸越大的熔融熔池和与基板接触的区域越宽。更大更宽的熔融熔池降低了粘度，增加了液态金属的流动性（润湿性），从而限制了成球的趋势（见图16）。然而，使用极端激光功率和扫描速度会产生各种不利影响。过量的热量输入通过过热熔融熔池导致汽化。如图17a和b所示，由于高斯光束加热和激光束正下方的最高反冲压力，通常在熔融熔池的顶面观察到强烈汽化。过度加热和较高反冲压力的结合导致金属蒸汽喷射羽流以热飞溅的形式喷出，未熔化的粉末颗粒转化为粉末飞溅。激光重熔可用于每个完全熔化的金属层，以增强微观结构，从而克服球化现象。
图16 不锈钢等级316L的第一层单轨工艺图。 图17飞溅形成示意图（a）热/液滴飞溅和（b）粉末飞溅。
同样，预热基板可以改善液态金属和基板之间的流动性，从而形成更好的冶金结合，并随后减少表面张力引起的（成球）收缩效应。然而，预热室温度过高会导致液滴飞溅，从而再次导致部分熔融粉末形成簇状物，阻碍熔融熔池的润湿性。钢材LPBF过程中的预热温度为80至900°C。
3.2.孔隙度
金属粉末的致密程度通常较低。此外，粉末颗粒中存在的气体很容易扩散到熔融熔池中，由于快速冷却和凝固，无法从熔融熔池表面逸出。因此，LPBF制造的钢部件中形成了孔隙。相反，在高温下，气体在液态金属中的溶解度通常较高，这也有助于形成孔隙。LPBF工艺中的气孔缺陷可分为未熔合孔、小孔/凹陷缺陷和空洞。
未熔合孔与能量输入不足有关，能量输入不足无法完全熔化金属粉末，液态金属未充分渗透到先前凝固的层中，导致冶金结合不良。未熔合缺陷的范围可达数百微米，基本上形状不规则，通常形成于熔体轨道层界面。如果提供的热量输入低，则熔池的形成宽度变得太小。较宽的熔融熔池导致熔融轨迹之间的重叠不足。这种不充分的重叠导致在熔融轨道界面形成未熔化的粉末（图18a和b）。由于熔合孔不完整，该位置的表面变得粗糙，直接阻碍熔池的流动，导致层间缺陷。随着过程的继续，这些层间缺陷逐渐扩展，最终形成多层缺陷。
图18 316L LPBF样品中观察到的孔隙度缺陷的SEM图像：（a）未充分熔合缺陷的低倍和（b）高倍放大；（c）气孔；（d）空洞/空腔缺陷；，（e）轨道孔端部。（f）熔体轨迹底部的阵列锁孔。
空洞的形成并不完全限于低激光能量输入。也许，这还取决于熔体轨迹的稳定性。孔隙可能是截留的气孔、缺乏熔合孔或小孔引起的气孔。孔隙的特征是与熔融熔池边界相关的内部分层形态（图18d）。空洞缺陷通常源于熔融熔池快速冷却产生的较高残余应力，有时也可能会沿熔池边界形成裂纹，导致最终偏析和空洞形成。由于液态金属流无法完全填充最初存在保护气体的周围区域，因此在较高的扫描速度下很有可能出现空洞或开口气孔（见图19）。邻近气体区域填充不足和快速冷却速度导致表面产生数百微米的孔隙或开放孔隙，并沿重叠间隙分布。
图19 扫描电子显微镜（SEM）图像，显示开口孔隙或空隙。
气孔会导致严重的冶金缺陷，产生较低的零件密度，并对LPBF钢的表面织构和机械性能产生不利影响。用于抑制结球的策略同样适用于限制孔隙度。例如，基板预热和采用激光重熔可降低孔隙率。选择适当的工艺参数，以产生足够的液态金属和更大的熔融金属池寿命，被认为有利于在LPBF过程中消除周围的气孔（区域）。
3.3.残余应力和开裂
残余应力是热制造工艺的一个特点，而LPBF工艺生产的零件尤其容易受到残余应力的影响。残余应力还可能导致与LPBF部件故障相关的各种建筑缺陷的形成。LPBF工艺产生的较高温度梯度和致密化率往往会产生较高的残余应力。高热应力会导致表面缺陷和气孔，通常出现在熔池周围。在极端情况下，较高的残余应力会导致LPBF从其支撑结构生产的零件变形、收缩、开裂、翘曲和分层。因此，LPBF零件的综合机械性能、零件密度和尺寸精度往往会受到严重影响。
热应力通常由温度梯度或固化材料中相邻激光熔化区的固化收缩引起，因此，热应力的降低也会导致残余应力的减小。热应力是开裂的主要原因。根据材料加热或冷却的膨胀行为，LPBF过程中形成的热应力分为（i）固体衬底中的温度梯度机制（TGM）（ii）熔化顶层的冷却阶段。在第一种情况下，当固体基板经历激光束诱导的高热能梯度时，其顶层热膨胀。热膨胀受到较冷底层凝固层的限制。这会在基材的顶层产生弹性压缩应力。热膨胀可能超过材料的屈服应力，并在激光能量源方向上翻转顶层的塑性变形（图20a）。然而，当达到屈服应力点时，材料中的压应力会导致顶层的塑性变形。当塑性变形层冷却时，打印材料层收缩并朝相反方向弯曲（见图20b）。因此，压缩应力转化为残余拉应力，从而在LPBF加工零件中诱发开裂。在第二种情况下，已经熔化的上层温度在开始时比下层温度高。当熔融熔池冷却和固化时，上层由于热收缩而趋向于更大程度的收缩。
图20 LPBF中残余应力的热梯度机制示意图：工艺（a）加热；（b）冷却。
LPBF过程中的开裂可分为凝固开裂和液化开裂（图21a和b）。当枝晶几乎完全长大为等轴晶时，凝固裂纹发生在凝固的最后阶段，这些等轴晶被一条细小的残余液带以糊状区晶界膜的形式分开。此时，熔融熔池可能相当脆弱，因此在拉伸应力下容易开裂。简单地说，当液体流动性受到较低温度下粘度增加的限制，枝晶间液体流动受到凝固枝晶臂的阻碍时，凝固裂纹发生在熔融熔池内或熔合区。研究发现，凝固裂纹对最终覆层性能的影响是无法解释的，因为它通常发生在顶部沉积表面。采用激光重熔或机械加工可消除凝固裂纹。
图21 开裂形态（a）液化和（b）凝固开裂。
液化开裂从较弱的区域开始，即部分熔化区或前层中的热影响区（HAZ），随着进一步的沉积逐层进行，扩展穿过晶间区域。液化开裂也称为热开裂，主要发生在合金元素含量高的合金中。这些合金在HAZ和层之间的交叉区域中沉淀了几个低熔点共晶，这些层在共晶温度（固溶温度）以上重新熔化。一旦形成液化裂纹，它就成为裂纹扩展的起始位置，并且随着沉积的进行，裂纹逐渐扩展。液化开裂趋势在很大程度上取决于晶界取向错误，这受到液化膜稳定性和局部应力集中的影响。
LPBF过程中更快的熔化和固化速度导致拉伸残余应力，因为局部激光能量输入较高，加上粉末颗粒的导热性较低。在激光光斑附近形成了较高的温度梯度。与奥氏体不锈钢和低碳钢相比，前者更容易发生凝固裂纹，因为它们的导热系数较低，热膨胀系数较高。此外，一些合金杂质，如硫（S）、磷（P）和硅（Si），对SS材料的开裂有严重影响。降低S+P+Si含量可以降低开裂敏感性。值得注意的是，大量的氮值对不锈钢的凝固开裂有害。高碳钢通常由连续马氏体相组成，而在不锈钢中，连续相通常以残余奥氏体的形式存在，这有助于防止开裂。
飞溅粉末与更小的原始粉末混合的光学显微镜图像。
为了控制热应力和开裂，可以采取以下必要步骤。较高的热量输入会导致形成较高的热残余应力，从而导致开裂。因此，裂纹的形成也取决于最佳范围工艺参数的选择。沿晶界存在的低熔点合金元素可诱发严重的晶界液化裂纹。引入一些倾向于限制凝固温度范围的合金元素有助于改变熔池的化学成分，从而防止开裂。基板预热是添加到钢材LPBF工艺中的新增强工具，旨在降低热梯度，最小化残余应力，从而制造具有优异机械和物理性能的高密度零件。通常应避免较高的冷却速度，因为它们会导致热应变，并缩短液态金属填充裂纹的可用时间。
来源：A comprehensive review on laser powder bed fusion of steels: Processing, microstructure, defects and control methods, mechanical properties, current challenges and future trends, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.033
参考文献：A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing, Renew Sustain Energy Rev, 50 (2015), pp. 594-614
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