激光粉末床熔融增材制造原理及过程缺陷

来源：材料基

激光粉末床熔融增材制造总体流程可以概括为首先进行三维模型构建与预处理得到切片后的模型和打印所需的金属粉末，然后根据结构特点、材料特性等确定工艺参数及激光扫描路径，最后利用高能量密度激光束(功率为106～108W/cm2)按照规划的路径熔化金属粉末(常见的粒径15～63μm)，使其逐层沉积成形，过程如图1所示。

图1.激光粉末床熔融工艺过程

按照打印过程中的工艺流程，LPBF的主要流程可分为粉末铺展阶段和激光熔融阶段。在粉末铺展阶段，刮刀在每层打印前将粉末平铺在粉末床上，并将非熔融区域的粉末回收到余料缸中；在激光熔融阶段，高能激光快速熔化金属粉末，使其逐层沉积成形为所设计构件。通过上述两个阶段的往复循环最终得到成形零件。

由于粉末铺展阶段为刮刀、粉末及成形构件间相互作用，铺粉缺陷往往呈现宏观的特点，而激光熔融过程涉及激光与粉末在微观层面的复杂交互过程，致使过程缺陷表现出微观的特点。因此LPBF增材制造过程中缺陷往往呈现出跨尺度特点。下面分别对粉末铺展阶段和激光熔融阶段的过程缺陷展开分析。

过程缺陷类型
在粉末铺展阶段，刮刀将金属粉末平铺到成形平台上，并将多余粉末回收至余料缸中。该阶段的缺陷表现为粉末床的非平整，主要包括翘曲、振纹、拖拽、铺粉不足和碎屑等，如图2所示。

图2.粉末铺展过程缺陷

（1）翘曲
翘曲的形成原因是加工过程极冷、极热的交替变化造成金属实体内温度梯度大、残余应力水平高，导致成形件发生变形而高出金属粉末的覆盖。

（2）振纹
振纹的形成原因是刮刀与成形件高出粉末床表面的翘曲变形部位碰撞，刮刀发生颤振，从而在粉末床上留下与刮刀运行方向垂直的条纹。

（3）拖拽
此外，由于刮刀损坏或刮刀推动粉末床上的颗粒物而在粉末床上留下的与刮刀运行方向平行的条纹即为拖拽。

（4）铺粉不足
铺粉不足表现为粉末铺展后无法完全覆盖构件的成形区域。

（5）碎屑
碎屑一般指粉末床上位于已熔融区域外的微小扰动，例如飞溅形成的颗粒物。

事实上，粉末铺展阶段的缺陷会对成形过程造成较大影响，不仅会损坏装备器件，也会影响成形件的成形质量。具体而言，中间层的铺粉平整程度会影响下一层的铺粉质量，而铺粉缺陷的逐层累加会导致裂纹等内部缺陷。同时，粉末床的填充密度会影响熔融沉积的质量，填充不均匀会影响熔池的稳定性，进而引发性能质量问题。此外，铺粉缺陷会影响成形件外表面的粗糙度，进而降低成形件的疲劳性能。

在激光熔融阶段，激光逐层扫描金属粉末使其受热熔化，逐渐沉积成形为构件。该阶段的缺陷与熔池状态息息相关，主要有飞溅、球化、气孔、未熔合、裂纹等，如图5所示。

图3 激光熔融过程缺陷：(a)飞溅；(b)球化；(c)裂纹；(d)未熔合；(e)气孔

（1）飞溅
飞溅的产生是反冲压力、蒸气羽流冲击和熔融金属表面张力之间的复杂相互作用的结果。

（2）球化
球化在熔池未完全熔化和完全熔化时均会产生。当激光未能将单层粉末完全熔化时，熔池呈现高粘性、低润湿性的固液混合状态，倾向于形成球状物形成球化缺陷；而在完成融化状态下，根据Plateau-Rayleigh失稳理论，圆柱形液柱由于其表面张力而具有不稳定的形状，表面张力驱动圆柱形液柱分解成总表面积较低的液滴，凝固后形成球化缺陷。

（3）气孔
气孔缺陷形成原因一方面由于金属粉末中掺杂气体对成形过程造成扰动，另一方面是由于激光与粉末复杂交互产生的金属蒸汽被保留在成形件中。具体而言，当激光作用在粉末上，局部蒸发形成的反冲压力在熔池中形成蒸气凹陷区，反冲压力和熔融液体表面张力的波动不平衡导致间歇性熔池坍塌，挤出的气泡未被冷却前沿捕获形成气孔缺陷。

（4）裂纹
裂纹的发生是成形过程中不同位置和阶段的残余应力导致，根据形成原因可分为凝固裂纹、液化裂纹和应变时效裂纹。凝固裂纹和液化裂纹主要由沉积过程中凝固熔池内和部分熔化区域内的残余应力引起，而热影响区沉积后的残余应力往往会导致应变时效裂纹。

（5）未熔合
未熔合一般认为由于上层的熔池未充分渗透到先前沉积层中，或单个轨道未充分穿透到同一层上的相邻轨道中导致。

一般来说，激光熔融阶段的缺陷会影响成形件的性能质量，气孔会影响成形件的疲劳性能，而飞溅会在粉末床上产生扰动，形成的颗粒物会影响铺粉的均匀性，导致孔隙的产生。球化会导致熔融沉积的表面粗糙度和孔隙率增大。裂纹会对成形件的力学性能和疲劳寿命产生严重的影响，而未熔合又容易诱发裂纹的产生。LPBF增材制造过程中产生的跨尺度缺陷问题阻碍了高性能成形件的规模生产，缺陷机理的研究为抑制缺陷生成奠定了基础。通过机理仿真和工艺参数优化，建立缺陷和工艺参数的映射关系，确定适合的成形质量工艺窗口，为后续的成形质量过程监测、评判和调控提供机理及理论支撑。

已经有学者对此展开了大量的研究工作，例如：

南京理工大学 廖文和 团队 在熔池演变、工艺参数与力学性能关系方面开展了大量研究，评估了激光功率等工艺参数对微观结构、表面粗糙度及成形质量的影响。

华中科技大学 史玉升 团队 对激光选区熔化的微观结构与机械性能关系开展了大量研究，揭示了构件的微观结构和机械性能之间的对应关系，同时也研究了激光功率等参数对成形质量及构件性能的影响。

中国科学院大学 朱锟鹏 团队 对熔池动态行为和铺粉缺陷形成机理开展了相关研究，使用基于统计学、机器学习及深度学习等方法表征熔池的动态行为，开展了增材制造中羽流、飞溅等熔池相关特征的监测研究，为LPBF增材制造过程的智能监测提供了新的思路。