粉末床熔融金属增材制造中的缺陷和异常（5）

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。本文为第五部分。

3.2.3.铝合金
铝合金由于其高强度重量比、优异的可回收性、耐腐蚀性和导热性，越来越多地用于汽车、航空航天和热交换器应用。气体雾化是目前铝粉的主要粉末生产方法。铝合金的其他粉末生产技术包括离心雾化、水雾化和粉碎/研磨等。与其他合金类似，绝大多数铝合金无法在粉末AM工艺中制造，主要原因是形成了不需要的柱状微结构和热裂问题由定向快速冷却引起。AM铝组件的其他挑战来自其高反射率、光子以及与氧气的反应性使得在基于激光的AM工艺中很难获得稳定的熔池。AlSi10Mg是AM工艺中最可靠、最常用的铝合金，因为它的成分接近共晶，凝固范围小。对AlSi10Mg合金的微观结构和力学性能进行了广泛的研究。其他研究已经测试了不同AM工艺中的非标准铝合金，例如AlSi12、Al7075、Al70 50、Al-Cu Mg和6061，揭示了关于如何在不同严重程度上缓解开裂的宝贵信息。图31显示了铝合金L-PBF过程中裂纹敏感性与合金元素的关系。

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。

由铝合金制成的工程零件是通过铸造，锻造，挤压和粉末冶金（P / M）等传统制造工艺制造的。然而，这些传统的制造工艺导致零件具有粗糙的晶粒结构，并且由于与这些工艺相关的低冷却速率而随之而来的机械性能较差。此外，通过这些传统的制造路线采用模具制造铝合金零件会增加生产成本和交货时间。因此，对于从事铝制零件制造并旨在更快地交付新的定制产品并为其产品获得更多消费市场的制造企业而言，选择性激光烧结/熔化（SLS / SLM）已成为此类企业有前途的制造路线。

除了基于粉末的AM工艺外，尽管与AM工艺相比，焊接具有较低的冷却速度，但在许多焊接文献中，热裂纹也是一个有充分记录的问题。许多铝合金具有较大的凝固范围和较低的凝固温度，这意味着它们可能越来越容易发生热裂纹。这是目前铝合金在AM中应用的主要障碍。硅的加入可以降低共晶温度，改善流动性，减小凝固范围和热膨胀系数。因此，裂纹可以得到缓和，这解释了为什么更可靠的AM铝合金具有高硅含量。

具有不同加工条件的 SLS 加工 AlSi12 粉末的特征微观结构：(A 和B) 100 J/mm3; (C and D) 67 J/mm3; (E and F) 50 J/mm3

氧化层的形成是AM制铝合金的主要问题，因为氧化层是缺陷形成的潜在场所。许多文献都报道了氧化物的形成会增加熔融铝的表面张力，从而促进成球效应并抑制润湿。此外，氧化物为激光穿透带来额外困难，进而影响致密化过程并导致缺陷形成。如图32和图33所示，通常在熔池边界和层间发现氧化层。由于在铝的氧化反应中，氧的溶解度极限和平衡分压较低，在目前的AM系统中不可能避免氧化物的形成。因此，减轻其影响的更实际的方法是破坏而不是避免氧化物。在这项研究中，人们认为流动模式是造成氧化物破坏的原因，这有效地提高了层间的润湿性，见图33。

图32 使用激光粉末床熔合工艺制造的AlSi10Mg零件中与氧化物形成相关的缺陷。

图33铝合金熔池中氧化物形成示意图。

3.2.4.铁基合金

用于增材制造加工的铁基合金主要存在于不锈钢（等级：316L、304L、17-4等）、工具钢（等级：M2、H13、P20等）和马氏体时效钢（等级为18Ni-300）以及以这些钢或纯铁为基体的金属复合材料。它们广泛应用于医疗、汽车、航空航天和模具行业，应用领域包括牙科工艺、膝关节和髋关节、热交换器、工具钻、铸造和挤压模具。这些应用通常需要复杂的定制零件几何设计。传统的加工路线（热成型、冷成型）通常通过将这些部件分割成几个较小的零件来制造这些部件，这既耗时又浪费材料。附加制造技术由于其独特的零件几何设计自由度，允许将这些几何复杂的零件作为一个单元进行制造。这引起了业界对开发AM以制造上述应用的铁合金部件的极大兴趣。

Simonelli等人比较了原料不锈钢316L和激光溅射颗粒的微观结构。两种颗粒均显示出奥氏体相结构，然而，与具有粗大等轴晶粒的飞溅颗粒相比，进料粉末中的晶粒更细且形状不规则。此外，还观察到铬、钼和锰元素存在一定程度的晶界偏析。此外，从溅射粉末表面进行的元素分析证实了氧化物的形成（主要富集于Mn、Si和O元素）。

不同时间（a）100 ms、（b）200 ms、（c）300 ms和（d）400 ms的硫和流体流量剖面的计算三维浓度剖面。

孔隙率、残余应力和由于热短路而导致的开裂以及表面光洁度差是SLS/SLM工艺相关的问题，因为零件中产生了不均匀的热梯度。为了控制粉末加热和冷却过程中的热梯度，从而制造出未翘曲和未破碎的层，各种研究研究了扫描策略与SLS /SLM加工部件的性质之间的关系。采用不同的扫描模式最终导致不同的加工时间，这影响了激光烧结零件获得的微观结构的性质。Hauser等人报告了在室温下成功进行小规模直接SLS零件加工的扫描例程。已经确定单层形状会影响翘曲，但测试样品的高度不会影响翘曲。

SLS/SLM 扫描策略。

通过大量研究，已经研究了AM工艺参数对铁基合金微观结构和性能的影响，尤其是工艺参数的影响，包括激光功率、扫描速度、预热温度、构建方向、激光扫描图案和图案填充间距。Miranda等人开发了六个模型来预测L-PBF-AM生产的316L不锈钢在不同激光功率、扫描速度和填充间距下的硬度和剪切强度。通过ANOVA统计分析建立模型，以确定主要因素以及输入（AM工艺参数）和输出（钢性能）之间的关系，可作为铁合金AM工艺优化的设计工具。此外，还观察到纳米碳化物和氧化物添加对成分的修改，以提高AM处理铁基合金的性能。报道了不同类型纳米颗粒改性的铁合金的不同性能增强机制，包括激光吸收率增强、晶粒细化、晶界强化和固溶强化。

AM工艺不仅影响AM零件的微观结构，而且改变粉末特性。Heiden等人对未经处理和回收的316L不锈钢粉末进行了详细分析（图34）。结果表明，未经处理的粉末在粉末表面具有树枝状形态，而在回收颗粒中消失，其中亚微米卫星（由于飞溅粉末或熔融颗粒）粘附在粗粉末上。此外，回收粉末中的氧含量增加，回收颗粒形成SiO2和MnCr2O4混合物。由于AM过程中会出现不同的冷却速度，回收的钢粉中可能会形成铁素体或马氏体等新相。

图34 （A）未经处理的和（B）回收或再利用的316L不锈钢粉末的比较。给出了每种粉末类型的扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射相图（EBSD）和透射电子显微镜图像，包括元素分析结果。

3.3.表面污染和氧化

通常，粉末颗粒上的氧化物形成可能会影响AM工艺，因为粉末中存在的表面氧化层会影响熔化和熔池稳定性。由于L-PBF中的氧浓度高于E-PBF，熔合区的局部高温可能会触发粉末表面上形成氧化层。当形成的氧化层较薄时（在钛和不锈钢的纳米尺寸范围内），它对熔池的形成影响不大。它与激光-粉末相互作用和Marangoni流动有关，其中薄氧化层在熔池中被破坏和搅拌。相反，在PBF过程中，厚厚的氧化层不会被破坏，任何氧化物残留物都会破坏熔池的熔化和稳定性。换句话说，氧化物残留物降低了熔体和基体之间的润湿性，从而导致结球，或出现堆焊，导致竣工AM零件表面粗糙。据报道，与气体雾化粉末相比，水雾化粉末中的氧气和硫含量较高，这会对熔池动力学产生负面影响。这些杂质会改变表面张力和熔池中的Marangoni流动，导致水雾化粉末中的氧气含量较高，从而导致频繁喷溅。

熔池中VIA族表面活性元素（即氧，硫，硒和铋）的含量对Marangoni应力的方向和大小有影响。如果熔池中不存在表面活性元素，则表面张力的温度系数为负，液态金属沿熔池表面向外流动。如果熔池中存在表面活性元素，则表面张力的温度系数可能会变为正值，具体取决于局部温度和表面活性元素的浓度。氧气通常存在于大气或保护气体中。氧气对激光辅助增材制造中Marangoni对流的影响已经通过实验和数值进行了研究。对于大多数一般质量的锻钢，包括低碳钢，中碳钢和不锈钢，由于冶金缺陷，含硫是不可避免的。添加无硫粉末会导致硫在熔池中的重新分布。然而，在激光基粉末沉积过程中，贱金属中的硫对Marangoni流动的影响尚未完全了解。

在不同质量流量(a) 6 g/min (b) 4 g/min (c) 2 g/min (d) 0.1 g/min下，纵向截面(x-z平面)硫浓度分布和充分发展的流动模式。

最近，Leung等人进行了原位x射线成像，以了解粉末氧化对L-PBF AM工艺中缺陷形成的影响。对原始粉末和氧化粉末的激光粉末相互作用和熔池演变进行了比较（图35）。单轨熔池中没有明显的气体孔隙。同时，溅出的粉末（球形，图35C）从与气流和扫描方向相同的方向喷出。如果熔池中形成任何孔隙，则在凝固过程中，它们可能通过孔隙聚结和孔隙迁移而破裂。相反，当使用氧化粉末时，可以看到不同的激光粉末相互作用。

图35 时间序列射线照片结果：（A）原始粉末和氧化物粉末的第一层沉积显示无缺陷和多孔熔池形成，其中在氧化物粉末熔池形成过程中可以看到孔隙粗化，（B）分析说明飞溅颗粒的大小与速度及其形态，（C）第二层沉积表明形成了一个开放的孔隙，以及（D）第三层沉积表明由于熔池的高表面张力导致喷出的飞溅物回落到熔池并愈合孔隙，从而揭示了孔隙愈合机制。

3.4.气孔转移

惰性气体（如氩气或氮气）环境中产生的快速固化粉末通常含有截留的惰性气体，其含量约为百万分之几。利用x射线成像技术，实验证明粉末生产技术会影响截留气体的数量和特征。粉末熔炼AM工艺中使用的大多数粉末原料是通过气体雾化生产的，但也使用了其他方法，如等离子旋转电极工艺（PREP）和等离子雾化（PA）。Chen等人使用XCT比较了三种类型的球形Ti-6Al-4V粉末：气体雾化（GA）、等离子旋转电极处理（PREP）和等离子雾化（PA），见图36。对三种单独的粉末制造方法进行了孔隙率和氩气含量分析。总体而言，发现粉末粒度对雾化粉末中的截留气体孔隙率和氩气含量起着关键作用。实验结果表明，每种粉末的氩气含量和孔隙率都随着粒度的增大而增大。因此，粉末中的孔隙数量、尺寸和总孔隙度值随着颗粒尺寸的增加而增加。由于粉末内部的气体压力不同，使用GA和PA制造的粉末比使用PREP制造的粉末具有相对较高的孔隙球度。值得注意的是，使用PREP生产的尺寸小于150μm的粉末的孔隙率和氩气含量最低，而使用GA生产的粉末的含量最高。

图36 Ti-6Al-4V粉末的3DμCT重建和横截面显微照片：（a，b）气雾化（GA）粉末，（c，d）等离子旋转电极工艺（PREP）粉末，和（e，f）等离子雾化（PA）粉末。

在固定激光点焊实验（左上）和时间序列a-i（右上）之前进行原位X射线X光片，显示夹带气体孔隙率从粉末颗粒转移到与激光光斑相邻的熔池中。

虽然通过适当选择LPBF加工参数可以避免主要的LOF和锁孔孔隙率，但对于完全致密的零件，气体孔隙率仍可能存在于工艺窗口内。气体孔隙率是由于通过气体或等离子体雾化制成的典型起始粉末原料材料可能在单个粉末颗粒中具有非平凡量的截留气体。激光熔化后，可能导致气泡在激光熔化过程中转移到熔池。上图直接显示了在利用固定激光（即点焊）通过Ti-6Al-4 V的超快DXR扫描捕获的激光粉末相互作用期间，气体孔隙转移到熔池中。在图（右上）中，含有气泡（红色圆圈）的粉末颗粒位于激光束附近并被拉入熔池（b-c）。一旦进入内部，被困住的气泡可能会退出或留在熔池内，这取决于Marangoni对流和浮力（d-i）之间的竞争。对于工艺窗口内的Ti-6Al-4 V测试块，可以推断出μSXCT中存在的小规模缺陷确实是从粉末中继承的气体孔隙率。此外，将气体孔隙率转移到熔池进入Ti6Al-4 V测试块可能来自与扫描路径相邻的粉末颗粒。

最近的报告重点研究了利用x射线技术将捕获气体孔隙度从粉末转移到竣工材料的机制，特别是Ti-6Al-4V材料。图37显示了通过使用固定激光器对Ti-6Al-4V进行超快DXR扫描捕获的激光-粉末相互作用期间，气孔转移到熔池的机制。在图37（A，A）中，含有气泡（红色圆圈）的粉末颗粒位于激光束附近，并被拉入熔池（图37，A，b-c）。一旦进入，由于Marangoni对流和浮力之间的竞争，截留的气泡可能会退出或留在熔池中，见图37（A，d-i）。对于工艺窗口内的Ti-6Al-4V试块，可以推断出μSXCT内存在的小尺寸缺陷实际上是气孔。

图37 （A）示意图（左）和时序图（A-i）显示了截留气体孔隙度从激光扫描路径附近的粉末颗粒转移到熔池中。（a）激光束附近含有气泡（红色圆圈）的粉末颗粒被拉入熔池（b-c）。（d）一旦进入，截留的气泡可能会退出或留在熔池中，这取决于激光束（e-i）的作用。（B）原料Ti-6Al-4V粉末形成孔隙。DXR图像显示了孔隙从粉末床转移到熔体池，然后在L-PBF过程中停留在固化轨道上。

当快速凝固发生时，观察到焊件中出现新的气孔。在一些合金（如钢、铝和钛）中，气体（如氢）的溶解度随温度变化。因此，液态金属中的可溶气体开始在固液界面形成气泡。正如Weingarten等人在Al-10Si-0.5 Mg的L-PBF中观察到的那样，该氢气可作为金属粉末颗粒（雾化期间）或AM零件中夹杂物上形成氢氧化物的来源。据报道，钛合金中的氢溶解度随温度降低而增加，呈相反趋势。

4.工艺相关缺陷和异常

工艺引起的缺陷与打印步骤中缺陷的形成有关。主要有三组，包括（1）粉末扩散动力学和异常，（2）缺陷产生的稳态条件，以及（3）PBF增材制造过程中缺陷形成的特定位置条件。第一个问题出现在粉末分配步骤中，其中粉末床层上形成的缺陷和床层质量（如均匀性和粉末堆积密度）会受到影响。粉末特性对粉末层中缺陷和空隙的形成起着重要作用。第二类和第三类缺陷是在激光与粉末相互作用过程中形成的。如果在熔池区域考虑蒸汽抑制的稳态行为，则可能会产生三种主要缺陷，如球化、LOF和小孔，这些缺陷主要取决于激光功率和扫描速度。然而，PBF AM过程必然包含许多不再符合这些条件的区域。因此，在非稳态条件下可能会形成其他缺陷和问题，例如粉末飞溅、回旋和轨道末端气孔、残余应力、开裂和分层、几何缺陷和尺寸误差、表面粗糙度、微观结构不均匀性、杂质和夹杂物形成以及合金元素损失。


4.1.粉末扩散动力学和异常

粉末撒布是增材制造过程中的关键第一步。粉末涂布过程与印刷件的质量密切相关。由于对激光束和粉末层之间的物理相互作用产生不利影响，粉末层中的缺陷通常转化为打印部件中的缺陷。粉末层铺设中的缺陷可分为五类：（1）重涂机跳跃（垂直于重涂方向的重复垂直线），（2）重涂器条纹（平行于重涂的方向的水平线）、（3）碎屑，（4）打印件超高，以及（5）不完全铺开。缺陷示例如图38所示。

图38 六种不同粉末层异常类别的代表性示例。

对粉末铺展过程和粉末床的后续质量进行了一些实验观察。Chen等人测量了扩散粉末床中的堆积密度，以验证其数值模型。Escano等人使用高速x射线成像技术观察小型机器中的扩散过程。实验示意图如图39（A）所示。图39（B）显示了扩展实验的代表性x射线图像序列。现场观察表明，较大的颗粒趋向于更快地进入粉末床，较小的颗粒趋向结块，形成阻碍铺展过程的团簇。虽然摊铺过程是确保AM零件质量的关键第一步，但需要对过程动力学和优化进行更多的研究。

图39 （A）用于现场观察粉末扩散过程的高速x射线成像装置示意图。（B）粗（左）粉和细（右）粉扩散实验的代表性x射线图像序列。图像序列清楚地显示了小粒子形成的粒子簇的形成和随后的运动。当床层沉积时，这些簇状物倾向于从粉末前部滚下。

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.