粉末基增材制造金屬和合金過程的多尺度缺陷的形成原因及檢測方法

由于增材制造（AM）技術(shù)提供了出色的設(shè)計自由度，具有復(fù)雜幾何形狀的部件可以基于預(yù)定義的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型輕松地逐層制造。各種AM技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并廣泛應(yīng)用于設(shè)計和制造用于關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用的高性能組件，包括航空航天、醫(yī)療和汽車領(lǐng)域?；诜勰┑脑霾闹圃旖饘俸秃辖鹬卸喑叨热毕莸念愋桶ǔ叽缛毕荨⒈砻尜|(zhì)量缺陷、顯微組織缺陷以及成分缺陷。香港理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)的傅銘旺教授等人提出了基于粉末的增材制造金屬和合金過程中的多尺度缺陷，并闡明了各類缺陷形成的潛在機制以及控制方法；總結(jié)了金屬增材制造各類缺陷的破壞性和非破壞性檢測方法；介紹了多尺度增材制造缺陷建模的研究進展；分析討論了各類缺陷對增材制造件的拉伸及疲勞力學(xué)性能的影響機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料領(lǐng)域頂刊JournalofMaterialsScience&Technology上。

多尺度缺陷的分類

金屬AM部件的性能在很大程度上取決于其表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)特征。影響表面質(zhì)量和微結(jié)構(gòu)的主要因素包括材料性能、設(shè)計相關(guān)因素、工藝參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置。不適當(dāng)?shù)墓に嚺渲每赡軙谧罱K的AM組件中引入缺陷，例如孔隙和裂紋?；诂F(xiàn)有的金屬AM文獻，在AM金屬零件和結(jié)構(gòu)中識別出從毫米到納米尺度的多尺度缺陷。如下圖所示，將多尺度缺陷主要分為三大類，即幾何相關(guān)缺陷、表面完整性相關(guān)缺陷和微結(jié)構(gòu)缺陷。特別需要首先認(rèn)識到的是，織構(gòu)柱狀晶粒、復(fù)合-結(jié)構(gòu)缺陷和位錯細(xì)胞在AM件中普遍存在，并對AM元件的性能產(chǎn)生重要影響?；诜勰┑脑霾闹圃旖饘俸秃辖鹬卸喑叨热毕莸姆诸?1幾何相關(guān)缺陷幾何缺陷主要來自于制造結(jié)構(gòu)與理想CAD模型之間的尺寸和幾何偏差。幾何相關(guān)缺陷主要包括零件變形和分層。分層是AM過程中獨特的開裂行為，這是由于AM的逐層制造模式的性質(zhì)所決定的。典型的零件變形和分層如下圖a~c所示；零件變形和脫層是由宏觀殘余應(yīng)力引起的，而宏觀殘余應(yīng)力來源于空間熱梯度，例如零件在熱循環(huán)過程中的不均勻膨脹和收縮，以及不均勻的非彈性應(yīng)變。影響殘余應(yīng)力相關(guān)變形的因素有很多，與設(shè)備相關(guān)的因素包括激光光斑尺寸、基板的厚度和預(yù)熱等，都可能誘發(fā)這類缺陷。該研究工作比較了微型LPBF（使用直徑為25m的細(xì)激光束）和常規(guī)LPBF產(chǎn)生的懸臂梁的畸變，如下圖d所示，由于原位應(yīng)力消除退火更顯著，精細(xì)激光束產(chǎn)生的畸變更小，因此微型LPBF系統(tǒng)更有可能生產(chǎn)出幾何精度高的部件。(a-c)

典型的幾何相關(guān)缺陷，包括變形和分層；(d)

微型LPBF和常規(guī)LPBF制作懸臂梁的畸變情況；(e)殘余應(yīng)力與掃描長度的函數(shù)關(guān)系；(f)

打印零件幾何誤差與特征厚度的函數(shù)關(guān)系此外，Corbin等研究了襯底厚度和預(yù)熱對DEDTi6A14V變形的影響，得出結(jié)論：襯底預(yù)熱后，薄襯底的畸變有效降低，而厚襯底的畸變則增加。因此，選擇合適的基板厚度和預(yù)熱溫度來減少殘余應(yīng)力是很重要的。研究了激光功率、掃描速度、掃描層厚度和掃描策略等工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力和零件變形的影響。Mugwagwa等報道了掃描速度和激光功率的增加導(dǎo)致由殘余應(yīng)力引起的LPBFed懸壁變形總體呈增加趨勢，增加層厚會減少變形，但由于能量密度降低而增加孔隙率。Salem等利用橋曲率法探討了掃描策略對畸變的影響，結(jié)果表明，通過縮短掃描矢量，畸變幅度減小。相應(yīng)地，Promoppatum和Yao報道在Ti6A14V的SLM中分別使用5mm和1mm的掃描長度時，殘余應(yīng)力從185MPa降低到90MPa，如上圖e所示。零件變形的設(shè)計相關(guān)因素包括零件在基材上的方向和位置、零件形狀、特征尺寸等，直接金屬激光燒結(jié)Ti6A14V零件的幾何精度結(jié)果表明，幾何誤差隨著特征尺寸的增加而減小，并收斂到一個恒定值，表明尺寸相關(guān)收縮是幾何精度降低的原因。此外，懸空或突出特征在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中很常見，但由于缺乏底部支撐，它們難以通過AM實現(xiàn)PBF工藝，粉末床可以作為這些結(jié)構(gòu)的支撐。然而，由于粉末床與固體懸垂結(jié)構(gòu)之間的電導(dǎo)率差異，可能會產(chǎn)生集中的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)翹曲、卷曲和變形。因此，當(dāng)構(gòu)件具有懸垂或突出特征時，需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。除了支撐懸垂特征外，良好的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以保證正確的熱流流向基材，防止因高殘余應(yīng)力而產(chǎn)生較大的變形。02表面完整性相關(guān)缺陷表面完整性缺陷是指與CAD設(shè)計模型的理想輪廓相偏離的不均勻或不規(guī)則的表面特征?？偨Y(jié)了造成AM部件表面完整性相關(guān)缺陷的四個主要因素，即階梯效應(yīng)、部分熔化的粉末、球化效應(yīng)和表面裂紋。與機械加工等傳統(tǒng)制造工藝相比，這些缺陷導(dǎo)致表面粗糙度較高，質(zhì)量和精度較低，這是AM工藝固有的局限性之一。階梯效應(yīng)是指由于制造分辨率的限制，曲面和斜面層層逐級逼近。階梯效應(yīng)引起的平均表面粗糙度（Ra）由層厚度和相對于建筑方向的傾斜角（BD）決定。增加層厚會導(dǎo)致顯著的階梯效應(yīng)和更大的表面粗糙度。對于AM的晶格結(jié)構(gòu)，這種帶有懸挑支柱的復(fù)雜幾何形狀很容易導(dǎo)致階梯效應(yīng)。Alketan等利用LPBF制作了各種周期性金屬胞狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)由于表面胞狀結(jié)構(gòu)的傾斜角不斷變化，因此與基于支柱的結(jié)構(gòu)相比，表面胞狀結(jié)構(gòu)中的階梯效應(yīng)不那么明顯，如下圖a和b所示。影響AM零件表面粗糙度的第二個因素是當(dāng)在AM過程中使用低能量輸入時，粉末可以部分熔化并粘附在零件表面。由于部分熔化而產(chǎn)生的平均表面粗糙度可以達到與粒度相同的尺度。此外，與較小的粉末相比，較大尺寸的粉末更難完全熔化，從而導(dǎo)致較差的表面光潔度。不同的表面取向也會導(dǎo)致不同的表面粗糙度。在之前的工作中，報道了由于有更多的部分熔化的粉末，側(cè)表面比頂表面具有更高的表面粗糙度，如上圖c和d所示。此外，眾所周知，由于更多的粉末傾向于部分熔化并粘附在下表面，因此下表面通常比上表面具有更大的表面粗糙度。在AM過程中，球化效應(yīng)是一個相當(dāng)普遍的問題，甚至被認(rèn)為是金屬AM中表面缺陷和氣孔的主要原因之一，尤其是鋁合金等輕質(zhì)合金。它發(fā)生在AM過程中，因為液態(tài)金屬的表面張力通過產(chǎn)生液體球體使表面積最小化。球化效應(yīng)是一種復(fù)雜的冶金行為，它是由潤濕性差和液滴飛濺引起的。如果能量輸入不足，則熔池下部太淺，無法充分滲透到下部層，它不能克服上部的表面張力。這種較差的潤濕性，直接導(dǎo)致液球的形成。液球的形成，例如下圖e中，隨著激光掃描速度的增加（能量輸入的減少），熔池被拉長，伴隨著潤濕性的降低，它往往會破裂成不連續(xù)的小球。在一定程度上增加能量輸入，可以改善潤濕性，抑制球化效應(yīng)。然而，過多的能量輸入可能會因液滴飛濺而再次誘發(fā)成球效應(yīng)，如下圖f所示。如此高的能量密度會產(chǎn)生不穩(wěn)定的熔池，伴隨著金屬的蒸發(fā)和較大的反沖壓力，致使熔化的金屬和未熔化的粉末飛濺。濺落的液態(tài)金屬形成微尺度的凝固球體落在表面上。由于液體的低粘度和長壽命，這種液滴飛濺誘導(dǎo)的球化效應(yīng)在高激光功率和低掃描速度的條件下普遍存在。而且，球化效應(yīng)不僅會導(dǎo)致表面粗糙度增加，還會導(dǎo)致金屬粉末沉積不均勻，并可能誘發(fā)孔隙和分層。最后但并非最不重要的是，表面裂紋也是一種需要關(guān)注的關(guān)鍵缺陷。Tang等在SLM制造CM247LC時采用邊界掃描策略，旨在提高表面光潔度。雖然使用邊界掃描策略獲得了光滑的表面但結(jié)果表明，與體塊區(qū)域相比，邊界區(qū)域存在更多的裂紋，如上圖g所示。隨后，檢查了邊界區(qū)和體區(qū)晶體結(jié)構(gòu)，分別以粗柱狀晶粒和細(xì)長織構(gòu)晶粒為特征，如上圖h所示。表面裂紋沿邊界區(qū)域的高角度晶界出現(xiàn)。邊界區(qū)較大的柱狀晶粒與高密度的幾何必要位錯（GND）有關(guān)，這意味著更高的內(nèi)應(yīng)力，從而具有更高的裂紋敏感性。因此，在表面光潔度和表面附近區(qū)域的裂紋之間的權(quán)衡是裂紋敏感合金（如鎳基高溫合金）的AM的關(guān)鍵問題。需要同時考慮這些因素對工藝參數(shù)進行仔細(xì)優(yōu)化。03微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷(1)內(nèi)部裂紋(2)

內(nèi)部毛孔(3)有紋理的柱狀顆粒(4)

成分缺陷表面缺陷的檢測與建模AM零件的表面缺陷和表面粗糙度可以通過接觸或非接觸方法進行評估。標(biāo)準(zhǔn)觸頭輪廓法是獲取AM零件表面輪廓的接觸方法之一，應(yīng)適當(dāng)選擇觸頭半徑和錐角，以保證表面數(shù)據(jù)的可靠性，避免損壞探頭和表面。此外，在使用接觸式方法時，還應(yīng)考慮檢測表面的可及性。另一方面，非接觸方法可以避免表面損傷，包括共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡等面形貌測量方法，以及光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等二維成像方法。迄今為止，關(guān)于金屬AM過程表面質(zhì)量建模的研究工作有限。Strano等提出了一個考慮部分粘合顆粒對表面粗糙度影響的分析模型。預(yù)測結(jié)果表明，高傾斜表面的粗糙度顯著在折痕處隨顆粒分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，如下圖a所示。通過實驗測量不同傾斜角度表面的粗糙度來驗證新模型，如下圖b所示。Boschetto等建立的理論粗糙度模型考慮了階梯效應(yīng)和球化效應(yīng)對粗糙度的影響，并以AlSi10MgSLM為例進行了驗證。除了解析建模外，Yan等利用有限體積法（FVM）建立了PBF過程的高保真粉末尺度模型，旨在揭示球化效應(yīng)和單軌不均勻性形成的機理。仿真結(jié)果表明，球化效應(yīng)的發(fā)生高度依賴于輸入能量和層厚。在最近的研究工作中，Wu等基于FVM模擬了多層PBF過程，以預(yù)測薄壁的側(cè)面粗糙度，如下圖c所示。實驗和數(shù)值結(jié)果都表明，隨著線能量密度的增加，側(cè)面粗糙度逐漸降低，如下圖d所示。顯然，解析模型更方便定量預(yù)測表面粗糙度，而數(shù)值過程建模成本高，更傾向于理解球化效應(yīng)等缺陷的形成機制。

工藝參數(shù)優(yōu)化是目前最為常用的顯微組織缺陷控制方法，主要是通過體能量密度公式來確定合理的加工參數(shù)窗口。但隨著對能量密度公式的研究逐漸深入，研究人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有能量密度公式已難以對工藝參數(shù)進行精確調(diào)控，急迫需要對其進行修正。為解決PBF成形金屬部件因其內(nèi)部粗大柱狀晶所造成的嚴(yán)重的各向異性，研究人員期望將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶來提高其力學(xué)性能，主要有以下四種方法：(1)對打印過程參數(shù)進行調(diào)整（包括激光功率、掃描速度、掃描策略等）；(2)添加晶粒生長限制元素或