《JMR&T》激光粉末床熔合制备的金属玻璃中的气孔和裂纹综述

来源：长三角G60激光联盟

中国矿业大学的研究人员综述了激光粉末床熔合(LPBF)制备金属玻璃(MG)材料中的孔隙和裂纹。相关研究成果以“Pores and cracks in the metallic glasses prepared by laser powder bed fusion”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

快速发展的增材制造(AM)技术可以克服金属玻璃的临界尺寸限制。这可以获得具有复杂几何形状和大尺寸的金属玻璃（MG）部件。然而，残余缺陷(如气孔和裂纹)严重影响了合金的性能。因此，抑制和消除增材制造后残留的孔隙和裂纹至关重要。
本文综述了激光粉末床熔合(LPBF)制备金属玻璃(MG)材料中的孔隙和裂纹，包括近年来在抑制它们的产生、减缓它们的扩展和消除它们的崩溃方面取得的成就和面临的挑战。综述了近年来LPBFed微孔材料的研究进展，以及微孔和裂纹的抑制策略，如参数优化、扫描策略改变、第二相的引入、衬底和微孔材料的选择以及在设计孔隙率下提高元件性能等。进一步分析了孔隙裂缝的起裂机理。最后，对目前尚未解决的问题、面临的挑战和未来的研究方向进行了评价。最后，对LPBFed MG的孔隙和裂缝问题进行了总结和展望。

图1所示：近二十年来，关于AM和/或MG的研究急剧增加。

图2所示：(a)增材制造技术和(b)应用金属玻璃系统的百分比。

图3所示：(a) LPBF机示意图和(b) LPBF工艺示意图。

随着MG在LPBF中形成过程中的快速熔化和凝固，激光能量的吸收、传导、辐射、对流、成球甚至蒸发等一系列复杂现象发生(图4a)，这取决于激光、金属粉末和相除之间的相互作用(图4)。

图4所示：(a)激光与粉末的相互作用，(b)激光束的相互反射

孔隙和裂纹形成的初步研究,前期报道了LPBF制造的FeCSiBPCrMoAl MG中出现裂纹的早期探索。同时观察到裂纹和气孔，通过优化激光参数和扫描策略可以明显减少裂纹和气孔(图5)。

图5所示：(a)雾化后的粉末，(b-d)能量和扫描速度优化后的可调节孔隙和裂纹

扫描参数优化
在LPBF过程中，激光与材料相互作用的热力学和动力学行为可能受到许多因素的影响(图6)，这些因素将影响制造的MG中出现的孔隙和裂纹。

图6所示：LPBF过程中的影响参数

图7所示：密度和裂纹随激光能量密度的增加而改善:(a-d) 24.4 ~ 37.8 J/mm3

扫描策略调节
除了调整扫描参数外，激光扫描模式还会影响LPBF过程中的温度分布，其调节有望通过改变扫描策略来部分释放有害的热应力，抑制孔隙和裂纹的存在。
与常用的X或Y策略相比，XY交叉扫描策略可以降低热应力，从而有利于抑制裂纹。通过调整三种扫描策略以及改变扫描间隔和扫描速度，进一步研究了三种扫描策略对LPBF制备Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 MG中气孔和裂纹形成的影响。孔隙和裂纹被很好地抑制，最终几乎消失。同时，也可以得到几乎完全致密的无裂纹MG (图8)。

图8所示：(a-d)不同扫描策略下ZR基MG的SEM图像。黑色和白色箭头分别指向孔隙和带隙。

此外，Li等人通过在Al85Ni5Y6Co2Fe2 MGC的LPBF中采用重扫描策略，成功抑制了裂纹尖端的扩展(图9)。

图9所示：重新扫描前后MGC的比较(上、下两列)。红色箭头指向裂缝，在低功率重新扫描后可以减轻裂缝。

采用填充线扫描、棋盘扫描和相邻层间正交扫描三种扫描策略对孔隙分布进行了研究。此外，还报道了不同扫描策略下的孔隙分布。根据不同的扫描策略，孔隙可能沿同心圆排列，或积聚在熔体轨迹中心附近，或随机分布(图10)。

图10所示：μ-CT图像和孔隙分布随扫描策略(a-b)填充线扫描、(c-d)棋盘扫描和(e-f)相邻层间正交扫描而变化。

裂纹的萌生
最近，对LPBF制造的FeCrMoWMnSiBC MG的裂纹起裂位置进行了研究。随着熔池表面张力的减小，熔池的流动性也随之增强。相反，裂纹增大，这可能归因于较高的温度梯度。更重要的是，他们还发现大多数裂纹起源于非晶区(熔池)和热影响区(HAZ)之间的连接处，在复杂的循环热处理之后，由于残余热应力集中在该连接处，裂纹易于扩展(图11)。

图11所示：能量密度分别为(a) 17.54 J/mm3、(b) 35.10 J/mm3、(c) 65.79 J/mm3和(d)熔池与热影响区连接时样品的微观结构。

从现有的文献来看，孔隙和裂纹的形成机制可以概括为:孔隙和裂纹产生的最根本问题是激光与粉末的相互作用，而这种相互作用受多种因素的影响和调节，如扫描策略和参数、起始粉末、激光特征、第二相、MG体系，甚至衬底特征等。这种相互作用决定了镁合金的熔化和凝固，包括结晶、化学均匀性和残余应力，处理不当可能导致气孔的存在，当伴随的热应力超过镁合金的断裂强度时，就会产生裂纹，如图12所示。

图12所示：孔隙与裂纹萌生机制。

待解决的问题和未来的研究方向
为了减少孔隙和裂缝的产生，人们做了一些研究努力。这些研究包括扫描参数的优化、扫描策略、衬底温度等，考虑到MG合金LPBF过程中孔隙和裂纹的初级阶段，经过仔细分析，对几个尚未解决的问题和未来的研究方向进行了提炼和总结，如图13所示。

图13所示：未解决的问题和未来的方向。

相关论文链接：
Haishun Liu, Yangyang Jiang , Dengfeng Yang , Qi Jiang, Weiming Yang . Pores and cracks in the metallic glasses prepared by laser powder bed fusion. Nature 620, 78–85 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w

参考文献：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 423018732#cebib0010