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。本文为第三部分。
3.4.氧化
LPBF处理室的环境对于制造无氧化物零件非常重要。对于一般的LPBF过程，大量的汽化现象主要体现为粉末剥落、羽流、飞溅和小孔孔洞等加工现象。通过原位同步辐射X射线成像可以直接观察到在各个加工条件下小孔的存在。由于熔融金属池极端混合不规则强激光注量流对流，截留的氧气无法从表面完全蒸发。熔化前，粉末表面上的被动氧化膜也可以形成，因为粉末质量附着着大面积的氧化膜。粉末中的氧含量可以直接转化为LPBF制备的样品。
粉末剥蚀：（a）放大图像，（b）具有不同能量输入的图片，（c）高速成像结果，（d）模拟结果
粉体层的热历史图位于距熔池液相线37.5、75和125微米处。利用罗森塔尔方程生成温度等高线图。
Ti3O5、Al2O3、Cr2O3和Fe2O3，NiCr2O4和NiFe2O4分别是马氏体时效钢、不锈钢和Inconel 718金属粉末LPBF过程中形成的常见氧化物相。通常，钢中的合金元素，如Mn、Si、Ti和Al，对氧的亲和力较高。这些元素可以在LPBF构建部件的表面选择性氧化。马氏体时效钢18Ni（300）、Ti和Al对氧的亲和力最高。在钢熔化池中，氧化物相通常比氮化物更稳定。马氏体时效钢中的一部分Ti与氮气反应，形成小的立方TiN颗粒。TiN最有可能由大气中较高的N2供应形成（见图22）。此外，还可以形成主要含有Ti3O5和Al2O3的复合氧化物相。氧化物、氮化物和碳化物的形成机理与其他类型的钢相似。在激光束强烈搅拌熔融熔池的过程中，纳米范围氧化物膜的形成很容易蒸发，对LPBF加工零件造成的损伤可以忽略不计。
图22在技术纯N2气氛下激光重熔制造的LPBFed零件的不同放大倍数下的光学显微照片。
为了尽量减少氧化，必须使用清洁干燥的粉末，尽管要保持足够低的氧分压。然而，表面氧化有时会变得有利。与正常粉末（无氧化物生长）相比，氧化金属粉末表面的CO2激光辐射吸收明显增加，这强烈反映了10.6μm的辐射。在316L、H13、P20和18Ni300钢粉末表面形成纳米级、连续和热力学稳定的氧化物膜，从而提高了激光吸收率。类似地，在钢的LPBF处理过程中，第二相纳米氧化物颗粒的形成（氧化物弥散增强）导致了更高的零件密度，更好的机械和物理性能。
3.5.合金元素损失
在LPBF工艺和其他激光加工技术中，在温度较高的激光束正下方的一个小区域内，汽化基本上很强烈。在很高的激光注量下，熔融熔池表面的温度高于钢的沸点，这有助于汽化。由于浓度和压力梯度，汽化导致合金元素损失。熔融熔池表面蒸发的合金元素浓度高于保护气体内的浓度。熔融熔池表面的蒸汽压力强度高于周围的环境压力，因此剩余压力驱动含有合金元素的蒸汽从表面喷出。合金元素的汽化和偏析改变了LPBF处理钢的化学成分。在316L不锈钢的LPBF工艺中，镍、锰和铬合金浓度随着硅、钼合金元素的增加而降低。这一现象归因于沸腾温度较低的合金元素浓度降低，而沸腾温度较高的其他合金元素浓度增加，除了基合金元素铁。
合金元素的损失降低了零件密度，导致微观结构缺陷，如小孔、气孔、飞溅、空洞、裂纹、未熔合轨道，LPBF制造零件的机械性能较低。因此，在激光参数优化过程中，最小化合金元素损失被视为一个重要的准则。虽然激光能量密度是一个关键的工艺参数，但扫描速度在蒸发过程中也起着同样重要的作用。通过仔细选择激光功率和扫描速度，可以最小化合金元素的汽化。
3.6.剥蚀
粉末剥蚀是固化熔体轨道周围粉末颗粒的明显损耗（见图23）。在典型的LPBF处理环境中，剥蚀是由熔融熔池中金属蒸汽羽流的强烈蒸发引起的。强烈的汽化作用使蒸汽羽流内部的压力下降，并产生一股环境气体向熔体轨道中心流入，称为伯努利效应。这种向内的环境气流足以沿其流动扫入粉末颗粒，粉末颗粒可以包含在熔融熔池中，也可以随蒸汽羽流喷出。采用更高的激光功率、更高的扫描速度和大气压（氩气）会导致更高的粉末颗粒损耗。另一方面，如果激光注量不足以完全熔化粉末颗粒，并且表面张力倾向于将部分熔化的粉末颗粒拉入熔池，也会发生剥蚀。
图23不同激光功率和2 m/s扫描速度下熔体轨迹周围剥蚀区的共焦高度显微镜图像。
3.7.环境影响
氩（Ar）、氮（N2）、氦（He）是LPBF过程中最常用的三种保护性惰性气体。在Ar和N2环境下生产的LPBF加工钢部件显示接近全密度值，而在He环境下使用相同的加工参数生产的部件显示约90%的密度。Ar和N2环境下产生的较低等离子体羽流在激光束和金属粉末之间保持良好的接触，这导致接近全密度的零件值超过99%。最终产品密度的差异可能与阻挡激光束的等离子体羽流有关。这可以通过使用Ar作为保护气体并提供足够和连续的能量输入来解决，这可以克服金属蒸发和电离过程的能量损失。类似地，在钢的LPBF过程中使用低气压可降低金属蒸汽的阻力，从而导致大量自由粉末飞溅（图24a）。因此，建议使用强大的环境压力。存在于熔池表面的金属蒸汽必须与强保护环境对抗，从而减少粉末飞溅（图24b）。
图24 X射线图像显示了具有不同环境压力的相同粉末层厚度的飞溅计数（a）弱环境压力（b）强环境压力。
3.8.与钢材LPBF工艺相关的常见问题
除了已经讨论过的不同工艺引起的冶金缺陷外，在LPBF钢部件制造过程中出现的其他最常见问题如下：
1.钢的LPBF工艺通常会导致沿构建方向形成各向异性微观结构，尤其是构建层界面处缺陷的方向，这会影响延伸率并决定机械性能[209]。
2.母材的化学成分将影响裂纹敏感性。硫和磷等低熔点合金元素会导致凝固开裂，而锰由于蒸汽压力高，会导致局部损耗。其他合金元素，如硅、钛，可能会导致不规则气孔。
3.在低碳钢的LPBF过程中，由于随后的快速冷却，预计会形成硬而脆的高碳马氏体，从而显著降低机械性能。
光学图像显示了粉末层厚度对添加剂制备的AlSi10Mg样品微观结构的影响。
4.高碳钢的LPBF加工比低碳钢更困难，因为在快速冷却过程中，凝固收缩和热收缩会产生更高的残余应力。除了LPBF工艺诱发的残余应力外，形成不良（马氏体）微观结构的可能性更大。马氏体和氢的结合促进氢开裂。
5碳含量越高，硬度越高，韧性越低，因此在热处理低合金钢的LPBF工艺中，更容易发生氢开裂。
6.熔化前，粉末表面形成氧化膜和无源碳化物的可能性更大，因为与大面积粉末质量有关，这会影响LPBF钢制件的表面质量。
7.由于氧化物和碳化物的存在，大型熔融熔池的形成会吸引更多粉末颗粒，从而降低润湿性；这有利于缺陷的形成。此外，较大的熔池会导致较高的晶粒边界，从而成为液化开裂的场所。
8.钢粉流动性差会阻碍粉末颗粒的扩散，从而影响层厚的连续性，并导致LPBF生产零件的表面粗糙度。钢粉的放热氧化会增加熔池的体积，从而导致高度的熔体轨迹不稳定和结球缺陷。
9从更广的角度来看，很难为航空航天、海洋和其他工业应用生产大型部件，因为现有的LPBF系统由于建筑腔室尺寸限制（300 mm×300 mm×350 mm），仅限于制造中小型部件。
根据现有关于不同钢材LPBF的文献，提出了三个LPBF处理窗口，如较低的处理窗口、较高的处理窗口和最终的最佳处理窗口（见图25）。
图25 LPBF加工窗口的标签及其对最终零件质量的影响。
4.LPBF处理钢的显微组织、磨损和表面纹理特征、机械性能
4.1.微观结构特征
LPBF期间的微观结构演变并非微不足道。无法将特定类型钢的微观结构特征归因于所有其他类型的钢。然而，有必要了解钢的LPBF过程中微观结构演变的一般方面，以便进一步研究。Tan等人研究了马氏体时效钢在水平面和垂直面上LPBF过程的微观结构演变。作者注意到，在中心均匀分布着大量亚微米大小的六角形胞状晶粒，在熔炼轨迹的边界处（垂直于扫描方向）普遍存在针状细长晶粒。在马氏体时效钢的LPBF处理过程中，这些微观结构特征是在较高冷却速度下快速熔化和快速凝固的结果（见图26a）。晶核的生长速度在各个方向上都是一致的，因此容易形成等轴晶粒。如图26b所示，等轴晶体呈现六角形胞状结构。垂直平面上各种晶体形态的形成机制如图26c所示。熔池底部可观察到平面凝固组织。随着G/R比随R的逐渐增加而降低，从熔池底部向层堆叠/或建筑方向上升，可见胞状树枝状结构。G/R值进一步降低，达到熔融熔池的中间，胞状结构普遍存在，随后是更细/更粗的等轴晶，在熔融金属池的边界处明显可见。
图26 LPBF制备试样的微观结构演变：（a）水平和垂直横截面的特征形貌；（b）细胞晶体和细长针状晶体的结构和形成机制；（c）熔池和重叠区域微观结构的示意图和形成机制。
镍钼合金钢LPBF过程中形成的主要由α-Fe（m）相（m、Cr、Ni、Mo）组成的非常精细的微观结构。LPBF制造的热加工钢的微观结构以富碳γ-Fe区装饰在晶界上的α-Fe树枝状细胞为特征。LPBF制造的316L不锈钢显示出更细的等轴晶粒，这在不影响延展性的情况下产生了优异的机械性能。图27a为316L SS LPBF过程中形成的不同长度尺度的典型微观结构示意图。Wang等人认为，这种综合性能是由凝固胞、低角度晶界和高角度晶界、位错和氧化物夹杂物组成的微观结构的优良特性（图27b–h）。
图27 LPBF 316L SS典型微观结构示意图。
LPBF处理的17-4 PH钢显示出高比例的奥氏体相，甚至完全奥氏体微观结构。Facchini等人报道，17–4 PH不锈钢的LPBF含有72%的奥氏体和28%的马氏体。此外，少量富铌碳化物的存在尚不确定。TEM研究证实马氏体圆盘之间存在残余奥氏体。17-4 PH钢（包括奥氏体钢、马氏体钢和铁素体钢）的LPBF工艺通常在⟨001⟩ 沿建筑方向对齐的方向（z轴）。
4.2.磨损和表面纹理特征
由于LPBF过程经历了复杂的热物理机制，导致表面粗糙度增加。LPBF零件表面出现缺陷和表面粗糙度，如热裂纹、飞溅、未熔化/部分熔化、波纹效应、阶梯效应、表面和亚表面孔隙、凹入特征等，这些都是导致不良表面光洁度或表面纹理的原因。目前，很难将LPBF加工零件的磨损和表面纹理特征与实际应用联系起来。然而，为了将LPBF应用扩展到摩擦副，研究不同接触条件下钢的LPBF工艺的磨损性能至关重要。
磨损是指材料从接触面上的损失或位移。LPBF处理钢的磨损率与孔隙率的体积百分比呈线性关系。对于存在孔隙的低密度LPBF工艺钢，报告的磨损率比散装钢高6–17%（见图28）。如果LPBF建造的钢组件完全致密且表面缺陷数量最少，则确实有可能实现与传统钢相同或更好的耐磨性。
图28 120 rpm、10 N（a）bulk 316L和（b）LPBF 316L（175 mm/s，150 W）样品干磨损试验条件下的磨损率比较。（a）中的“O”标记表示摩擦氧化膜。
表面粗糙度在决定LPBF加工钢部件的机械、摩擦学和功能性能方面起着关键作用。表面纹理是指表面上存在的几何不规则性，不包括影响表面形状或形状的几何缺陷。LPBF构建的包含表面粗糙度和其他颗粒特征的表面通常通过使用3D光学轮廓仪和X射线计算机断层扫描（XCT）进行表征，从而允许将捕获的数据用于3D表面纹理表征。水平建造的LPBF部件受成球、波纹效应、飞溅的影响，而楼梯（阶梯）效应、未熔化/部分熔化的颗粒与LPBF加工部件的弯曲或倾斜表面相连（见图29a和b）。通过自适应减小熔体轨道层之间的层厚，可以最小化阶梯效应。
图29 （a）显示阶梯效应的Alicona G4图像，（b）显示未熔化/部分熔化粉末粘附在台阶边缘的斜面SEM图像。
由于粉末未充分熔化，能量密度较低会导致破碎、粗糙和分散的多孔磨损表面出现裂纹。同样，过高的能量密度会导致热飞溅物喷出，并在LPBF处理的零件表面重新沉积，从而导致较高的表面粗糙度。除了采用激光重熔和合适的后处理方法外，通过选择优化的LPBF工艺参数，包括较小的层厚，可以提高耐磨性和表面光洁度。通过采用化学磨料流抛光技术，可以消除内表面上部分熔化的粉末颗粒，同时可以显著改善表面光洁度和纹理（至少45%Ra值）。此外，在马氏体时效钢的LPBF过程中，碳化钨的强化导致形成了一层薄的碳化物层，这将磨损率显著降低了1500倍以上。
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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