来源：长三角G60激光联盟
导读：本文旨在阐明粉末床熔融增材制造过程中常见的缺陷/异常及其形成机制。本文为第四部分。
3.粉末相关缺陷
粉末的形态、平均尺寸、粒度分布、粉末流动、堆积密度、粉末孔隙率和表面污染等不同的粉末特性会影响最终AM零件的质量。球形粉末是AM工艺的首选，因为可以获得更高的粉末堆积密度和更好的粉末流动。低填料密度会导致AM零件内部出现空隙。根据AM工艺，粉末的平均尺寸和尺寸分布可能有所不同。通常，原料粉末中的内部空隙可以转移到AM零件上，并且在打印过程中很难去除它们。此外，粉末成分、杂质和夹杂物与原料材料可能会转移到最终零件，从而降低机械性能和耐腐蚀性。因此，有必要评估潜在的粉末相关缺陷和补救措施，以提高建造质量。
根据环境压力，对9条重叠激光轨迹的显微照片（a）和共焦高度图（b）进行合成。
过去已经研究了剥蚀对多个重叠轨道产生的沉积图案的影响，并且在考虑完整的增材制造工艺时是相关的。在上图中展示了不同环境压力的多种轨道模式，轨道重叠为～30%，激光功率为225 W，扫描速度为1.4 m/s。图a显示了光学显微照片，而图b显示了与图a中的图像相对应的高度图。值得注意的是，在裸板上的单轨实验以及在商业PBF系统中进行的多轨道扫描中都观察到了这种效应。Yadroitsev等人表明，连续扫描导致轨道高度的降低，这受到舱口间距的强烈影响。因此，在解释此处（和其他地方）提供的单磁道数据时，重要的是要考虑剥蚀如何在确定最佳工艺参数和扫描策略中发挥作用。
3.1.粉末生产和特性
粉末床熔炼机的关键部件是金属粉末原料。它由一种或多种技术生产，包括气体雾化（GA）、离心法、等离子体旋转电极处理（PREP）、氢化物脱氢（HDH）、线状雾化和等离子体雾化（PA）。本文将讨论最常用的方法。
雾化是一种典型的粉末生产工艺。该装置包括一个真空室，其中包含熔融金属，通过顶部的感应线圈加热。真空对易氧化的金属尤为重要。熔融金属通过喷嘴以同心高压气体流动，导致熔体流破裂，表面张力导致粉末金属球形微滴的形成。产生的粉末金属被收集在通常充满氩气甚至水的下室中，以收集某些类型的非反应性金属。
锡蒸汽爆炸产生的多孔碎片。
PA方法包括一个真空室，其中包含电极，电弧通过电极产生等离子体。在该阶段，系统的其他特征（未公开披露）导致粉末颗粒快速破碎，然后收集在下室中。PA的另一种变体是PREP，其中两个电极用于维持电弧。一侧固定一个电极（非耗材），另一侧是要雾化的材料（耗材）。通过旋转电极，液态金属以粉末状金属的形式被挤压掉。粉末的大小与电极的旋转速度有关。
Rabin等分析了使用不同雾化技术产生的各种快速凝固粉末颗粒，包括真空气体雾化、离心雾化、超声波气体雾化和惰性气体雾化。他们表明，由于粉末颗粒中存在气泡，气体浓度和孔隙率都随着颗粒尺寸的增加而增加。这是由于雾化过程中液滴形成和凝固过程中的气泡截留机制造成的。重要的是，发现观察到的大部分气体都是宏观气体孔隙度。一般来说，还可以推断出，气体含量和孔隙度随着颗粒尺寸的增加而增加，因为较大颗粒的较大部分含有气孔。
Ti-6Al-4V粉末（a）GA、（b）PREP和（c）PA）的表面显微照片。
上图显示了雾化气体（GAed），等离子体旋转电极处理（制备）和等离子体雾化（PAed）Ti-6Al-4V粉末的显微照片，分别将其筛分成一批。有意选择小于150μm的粒径范围，适用于SEBM，LENS和HIP工艺。雾化粉末的流动性是使用霍尔流量计根据ASTM B213-13标准测定的，而其表观密度则根据ASTM B212-13标准进行表征。使用惰性气体融合分析仪器（Leco-Tch600）测定粉末的间质元素含量。通过扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-6460）检查雾化粉末的微观形态。为了观察横截面形貌，首先将雾化的粉末安装在环氧树脂中，然后在抛光后蚀刻。在脉冲聚变质谱仪气体分析仪（PMA-1000）上对低于150μm或具有确定粒径范围的雾化粉末的氩气含量的分析在流动的氦气中进行，其最大熔化温度为3273 K（3000°C）。
除了雾化之外，另一种完全不同的方法是氢化物脱氢（HDH），它与通常用于生产钛的六角金属（也包括铌和钽）一起工作。在这种方法中，将氢添加到钛中，形成氢化物（TiH2），该氢化物非常脆，很容易研磨成精细但粗糙的粉末。考虑到氢化物的热不稳定性，氢化物粉末通过加热去除氢含量而被氧化回金属。
大量研究报告了通过GA，离心雾化或PREP观察到雾化粉末中存在的内部孔隙Ti，TiAl，镍基，铝和FeNi合金。在这些研究中，Rabin等人首先怀疑使用“袋”液体破碎模式对孔隙形成的初步解释，当时他们估计惰性气体可能被困在液滴中并保持最终状态。这种“借用的”液体破碎机理在流体力学和空气动力学中得到了广泛的研究，同时应该注意的是，金属GA过程中的材料与普通材料不同，例如，流体力学研究中大量使用的水。这是因为金属液体分解和快速冷却过程同时发生，而不是水没有经历快速冷却。
雾化粉末重建CT图像的典型示例（a）具有球形孔隙几何形状的GAed粉末，（b）具有不规则孔隙几何形状的制备粉末，以及（c）具有双球形孔几何形状的PAed粉末。注意：彩色球体表示粉末中的孔隙形态。
除了用于测试粉末休止角的传统漏斗试验外，还提出了旋转滚筒仪器来测量粉末的动态特性。该方法包括一个带有透明壁的圆柱体，其中填充了粉末样品。在系统地改变转速的同时转动滚筒，并根据平均界面位置计算动态休止角，同时根据界面的波动测量动态内聚指数。该仪器基于基于转鼓原理的自动粉末流动性测试，因此流动角度值越低，流动性越好。
在粉末床熔合增材制造技术中使用金属粉末后，粉末可以重复使用。重要的是要了解不同粉末的生命周期作为AM过程中降解的函数，化学成分变化（例如间隙拾取），粉末流动性，表面污染，表观密度，粉末形态，球形度和尺寸分布。此外，粉末回收对基于熔合的AM加工零件的表面粗糙度有负面影响。通常，粉末特性在每次使用后都会发生变化，因此，很难确定哪些变化会影响成分特性。此外，不同的材料不会以相同的方式老化，相同的材料在不同的AM工艺参数下会以不同的方式老化。航空航天、军事和医疗部门等行业对所生产的组件有非常具体的要求，因此粉末的成分差异会影响性能。因此，粉末降解的精确预测很难，因此很难确定金属粉末在AM内不再可使用的点。
Cordova等人比较了原始金属粉末和使用过的金属粉末（例如合金718、Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和Scalmalloy）的粉末特性。结果表明，使用L-PBF粉末后，粉末形态、粒度分布、粉末流动、圆度、化学和微观结构都会受到影响（图26）。Rafieazad等人表明，AlSi10Mg原始粉末的平均粒径为8.8±7μm，而L-PBF处理粉末经过五次循环后，其粒径增至13.7±9μm。此外，零件孔隙率增加，Al-Si共晶的面积分数增加，共晶臂之间形成裂纹。换句话说，使用回收粉末处理的L-PBF内部缺陷密度较高，例如孔隙率、微观偏析和裂纹。由于回收粉末的平均尺寸较大且形状不规则，导热性降低，从而导致熔池冷却速度降低，并使熔池边界处的Si变粗。这一问题导致裂纹敏感性和较低的耐腐蚀性。
图26 L-PBF中未使用粉末和使用粉末的各种特性的比较，（A）扫描电子显微照片和粉末粒度分布结果，（B）显示使用粉末中再熔化和团聚区影响的横截面SEM显微照片，（C）未使用粉末与使用粉末的氧含量测量，（D）流速、抽头密度、真实密度的比较，原始粉末和使用粉末的豪斯纳比和卡尔指数，（E）粉末的颗粒形状与圆度参数。
3.2.常见金属和缺陷
在航空航天、汽车和生物医学等不同行业，金属粉末的增材制造正在迅速发展。有必要评估可有效用于基于熔合的AM机器的金属粉末类型。尽管基于聚变的AM技术具有高效生产复杂、精确尺寸部件的潜力，但AM机器中使用的成分存在局限性。主要原因与金属材料在AM制造无缺陷零件过程中的可加工性和可焊接性有关。元素蒸发、氧化、偏析、开裂和孔隙形成是限制熔融AM工艺材料选择的主要问题。
粘合剂喷射本质上是一种粉末冶金工艺。该技术通常被称为3DP。ExOne目前是粘合剂喷射打印机的主要制造商。与其他基于粉末的方法一样，被打印的物体在粉末床内是自支撑的，一旦完成，就会从未结合的粉末中取出。在粘合剂喷射过程中使用两种材料：粉末和粘合剂。粘合剂粘合层。虽然构建材料是粉末形式，但粘合剂通常是液体形式。沉积头交替沉积构建材料和结合材料的层，同时沿x和y轴移动。粘结剂喷射工艺示意图如下图所示。
粘合剂喷射工艺示意图。
在所有原料预合金中，镍高温合金（主要为合金718和625）、钛合金（主要是Ti-6Al-4V）、铝合金（主要有AlSi10Mg和AlSi12，以及不常见的如7075、6061和Al-Cu-Mg）、钢（不锈钢，如316、420、17-4 PH，工具钢，主要是H13）和一些其他合金，如磁性材料、Co-Cr和W已用于粉末床熔炼AM。虽然使用预合金原料是AM中最常见的选择，但在PBF工艺中使用来自可用化合物的预混合粉末并进行原位合金化是有兴趣的。元素粉末的原位合金化为难以获得粉末的任何合金提供了广泛的成分调整可能性。在E-PBF中，打印前需要预热温度，因此，含有低温熔融材料的预混合粉末可能会增加对局部熔体形成和粉末团聚的担忧（在Ti-6Al-4V或Al-Si预混合粉末中）。
3.2.1.钛合金
在粉末增材制造（AM）中，钛合金通常指一种特殊成分Ti-6Al-4V，它是AM生产中的主要合金。Ti-6Al-4V因其优异的机械性能（高强度重量比）和耐腐蚀性而广泛应用于航空航天工业。由于其良好的生物相容性，它也被用于生物医学行业，主要用于人体假体和骨科植入物。此外，许多报告讨论了用于AM应用的新型钛合金的开发和测试，如阻燃BuRTi、损伤容限TC2、高强度低密度Ti-5553和生物相容性Ti-2448。
（a，d）选择性激光熔融Fe-Ni-Si合金的反极图和（b，c）EBSD取向图。（e） Fe-Ni-Si的磁滞曲线作为方向函数。
Kang等人探索了涂有Ni的Fe-Si粉末，以通过使用SLM制造所述合金。激光能量输入的变化几乎可以消除孔隙率;然而，由于所探索的Fe-Ni-Si成分的延展性有限，在低孔隙率部件中出现了裂纹。与印刷的Fe-Si类似，如图14所示的极点图和磁滞曲线所示，已经注意到磁性各向异性。关于磁性性能，扫描速度范围为 1 至 4 m/sHc保持恒定（～2150 A/m），尽管Js由于宏观结构特征和晶体学，减少约7%。
与其他合金类似，如图27所示，可以通过气体雾化（GA）、电子感应熔炼-气体雾化（EIGA）、等离子旋转电极工艺（PREP）和感应等离子球化（IPS）等方法制备预合金化球形Ti-6Al-4V粉末。GA是迄今为止最具成本效益和最受欢迎的粉末生产工艺。然而，不可避免地会引入截留气体，这些气体可能会成为竣工AM部件的缺陷源。水雾化、流化床和氢化物脱氢（HDH）是可以生产非球形钛粉末的工艺。如上所述，HDH工艺包括化学和机械工艺，其中钛合金被氢化并转化为脆化中间阶段，从而可以有效地将原料研磨成细粉；随后，只需提高温度即可完成脱氢。虽然这些形状不规则的粉末不需要考虑夹带气体，但粉末形态会使筛分过程和粉末尺寸控制变得更加困难。其他新型粉末生产方法包括金属分解或FFC®工艺、电解方法和金属热工艺。
图27 通过（a）气体雾化、（b）等离子雾化、（c）等离子旋转电极工艺、（d）–140+200 mesh HDH粉末等离子球化、（e）粒化除氧和（f）HDH工艺（-140+200目）制造的Ti-6Al-4V粉末的扫描电子显微图。
在Ti-6Al-4V合金的制造过程中，铝合金元素的蒸发是一个主要问题，因为它会影响竣工部件的性能。图28显示了通过选择性电子束熔炼制备的竣工Ti-6Al-4V横截面中铝的不均匀性。铝的损失与能量输入和再利用次数呈正相关。许多研究试图使用建模方法来理解额外制造的钛合金中的蒸发现象。
图28通过电子探针微分析在E-PBF中以不同扫描速度和线能量构建的样品的铝浓度。
3.2.2.镍基高温合金
镍基高温合金是一类沉淀强化合金，在高温环境中表现良好。镍基高温合金的优异高温性能导致了此类合金在许多航空航天应用中的应用。航空航天工业对粉末床聚变增材制造技术的固有兴趣推动了对打印这些材料系统能力的研究。
γ′′和γ′增强镍铁合金铬镍铁合金Inconel 718具有优异的机械性能，优异的可焊性和相对较低的成本，广泛用于航空航天，核能和石化工业。Inconel 718的锻造版本经常用于碟片和轴，而铸造版本在涡轮机框架，箱体和其他具有大尺寸和复杂几何形状的结构中得到了广泛的应用。但由于凝固过程中冷却速度慢，与锻造型相比，铸件具有粗晶粒尺寸，树枝状偏析较重，机械性能相对较差。凝固缺陷，如收缩型腔和孔隙率，也同时在铸件中形成。需要均质化处理和热等静压（HIPing）来使微观组织均质化，关闭内部孔隙并提高铸造质量。
（a） HIP合金的OM微观结构。（b） HIP合金中的晶界析出物。（c）使用{0 0 1}方向的（0 1 0）和（1/2 1 0）反射成像的HIP合金中的γ′和γ′相。
镍基高温合金传统上是使用粉末冶金制造技术生产的，因为与镍基铸造高温合金相比，其均匀性得到了改善。粉末冶金用镍基高温合金粉末的生产采用了多种技术，包括气体雾化、电极感应熔化气体雾化，以及更经典的水溶液氢还原成粉末。气体雾化、等离子旋转电极工艺、水雾化和电极感应熔化气体雾化都是现代粉末床AM制造技术所用粉末生产的流行技术。许多镍基高温合金粉末可以在市场上买到。
现已开发出多种镍基高温合金，用于各种用途。合金718合金体系被认为是镍基高温合金中最易焊接的合金之一。因此，该合金的零件经常使用E-PBF和E-PBF制造方法制造。其他镍基高温合金也用于使用粉末床机器制造零件，包括合金625、合金738、Rene 142、Hastelloy X、CMSX-4和Haynes 230。
（a）直接时效合金中的晶界析出物。（乙丙）晶界在溶液和时效合金中沉淀，溶液温度分别为940 °C、980 °C和1100 °C。在（d）中可以看到孔隙。
镍基高温合金在焊接过程中容易开裂。镍基高温合金焊缝中观察到热裂纹和应变时效裂纹。这种开裂行为也适用于AM应用。由于不同镍基高温合金之间的成分差异，不同合金的开裂程度不同。图29（A）说明了不同镍基高温合金中铝和钛含量的不同如何影响焊接性。图29（B，C）显示了镍高温合金在L-PBF过程中的开裂。此外，氧化是镍基高温合金部件的潜在威胁。镍基高温合金中发现的各种合金元素有可能形成许多氧化产物。这些氧化产物会对镍基高温合金部件的性能产生负面影响。增材制造工艺容易使合金暴露在可能形成氧化物的环境中。
图29 （A）镍基高温合金中铝与钛含量的关系图。（B，C）显示镍高温合金（B）CM247LC和（C）IN738LC的L-PBF中存在裂纹的显微图像。
粉末表面的飞溅颗粒和氧化层在PBF过程中不断形成，并将改变粉末的形态、平均尺寸和粒度分布、表面特征和流动性等特征。此外，熔池形状和行为也受其影响。在镍合金718中，Al和Ti的合金元素具有较高的氧活性，并在粉末颗粒表面（在飞溅粉末上，图30（B））或AM零件的微观结构或顶面中的亚微米氧化物颗粒（作为夹杂物）上形成纳米TiO2和Al2O3层（图30（D））。Gasper等人提出飞溅形成机制为：（1）熔体喷射飞溅，（2）热卷吸飞溅、（3）冷喷射飞溅和（4）金属蒸汽喷射和蒸汽羽。结果表明，飞溅颗粒的尺寸范围为1–273μm，对回收粉末的尺寸分布产生负面影响，粗飞溅颗粒可能会落在粉末层或打印区域，从而导致生产缺陷。然而，如上所述，图31B中所示的机制过于简单，因为Zhao等人已经表明，飞溅与深孔中的不稳定流体流动直接相关。
图30 （A）镍合金718的SEM显微照片。背散射电子SEM显微图像和EDS元素可以从（B）溅落的镍合金717颗粒和（D）检测到氧化斑点的L-PBF工艺合金718表面进行分析，（C）说明激光粉末相互作用和溅落颗粒在PBF工艺过程中如何形成的示意图。
图31焊接（或熔炼AM处理）铝合金裂纹敏感性的化学成分影响。
来源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974
参考文献：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.
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