上海大學(xué)利用CT給3D打印的金屬進行診斷—揭示內(nèi)部孔洞缺陷的形成機制

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

SLM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于制造鈦合金，其中SLM打印的Ti6Al4V合金廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)療和航空航天中。但打印過程中存在的孔隙則成為顯著阻礙該技術(shù)進一步擴大應(yīng)用范圍的一大障礙。X射線計算機體層攝影術(shù)（X-ray computed tomography (XCT)）技術(shù)可以 用來分析和觀察孔隙缺陷在空間的分布和形貌特征。這些孔隙的存在將極大的影響SLM打印制造的Ti6Al4V合金樣品的拉伸性能和疲勞性能。因此，工藝參數(shù)對缺陷的形成及其形成機制進行了探討。結(jié)果表明，可以觀察到兩種主要類型的氣孔缺陷，一種是由于體積能量密度低（ low volumetric energy density (VED)）所造成的未熔合氣孔；另外一種是由于能量密度過高而導(dǎo)致的匙孔效應(yīng)所形成的氣孔。在體積能量密度（ volumetric energy density (VED)）為58.8 J/mm exp（3）時得到的合金的致密度最高可以達到99.995%。此外，孔隙缺陷的量化特征，如尺寸分布、形貌特征和方向等均采用XCT進行了觀察以揭示其形成機理。同時，在不同VED數(shù)值下對采用SLM打印的Ti6Al4V的拉伸性能也進行了評估，并對該性能同孔隙變化之間的關(guān)系進行了研究�？偟膩碚f，合金的拉伸強度和韌性隨著孔隙率的增加而顯著的降低�；�于XCT和SEM技術(shù)對斷口的觀察分析表明：未溶合缺陷及其孔隙率是早期斷裂的根本原因�？梢赃@樣下結(jié)論，XCT技術(shù)可以為激光增材制造技術(shù)來進行全面的質(zhì)量控制提供直接和精確的檢查。

圖１　研究成果的Graphical abstract

眾所周知，增材制造技術(shù)（簡稱AM，又叫3D打�。┛梢灾圃斐鰪�(fù)雜形狀的金屬部件、縮短產(chǎn)品的制造周期和提高材料的利用率。在眾多的3D打印金屬當(dāng)中，SLM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車和醫(yī)療等行業(yè)。在當(dāng)前，SLM廣泛地應(yīng)用于制造各種金屬部件、金屬基復(fù)合材料、難容材料，甚至是陶瓷材料。

圖２. ａ工業(yè)CXT的示意圖以及�。狻。矰　XCT的主要組件

盡管3D打印技術(shù)在科學(xué)研究和應(yīng)用實踐上取得了一定地顯著地成就，但其背后的物理機制和冶金過程的機理，仍然沒能得到充分、完全地理解。這是因為打印過程中存在復(fù)雜地光—粉相互作用�？焖偃刍�和凝固過程以及復(fù)雜地相變過程、顯微組織的演變等。SLM技術(shù)是一種利用激光束、電子束進行逐點熔化、逐線掃描、層層熔化堆積的方式來完成實體零件的制造。此時金屬粉末經(jīng)歷著循環(huán)的溫度上升、快速冷卻和凝固過程。因此，氣孔缺陷的形成受到諸如激光參數(shù)、粉末特征和溫度梯度以及環(huán)境氣氛的影響。在SLM打印的制品中，可以發(fā)現(xiàn)不同類型的缺陷，如球化、裂紋和氣孔等。此外，氣孔的存在將顯著地影響著SLM制品的性能，如材料的剛性、硬度、拉伸性能和疲勞性能等。氣孔在打印過程中在制品中的空間分布和形態(tài)特征將同時會造成制品性質(zhì)和機械性能的各向異性。

圖３. SLM打印Ti6Al4V合金時典型的３D體積及其不同VED時獲得的氣孔的形態(tài)特征

充分的理解缺陷的形成機理和冶金缺陷的形成機制，是SLM打印應(yīng)用和研究中提高產(chǎn)品性能的重要任務(wù)，需要從實驗研究和理論上進行不斷地給予突破。

圖４. ＸCT對 Ti6Al4V合金粉末進行重建的結(jié)果

圖解：ａXCT對Ti6Al4V合金粉末所進行的３D表面分析；ｂ粉末顆粒之間的截面分析結(jié)果；ｃXCT分析Ti6Al4V粉末時得到的粉末尺寸分布；ｄ測量得到的粉末的球形度結(jié)果

對SLM打印過程中氣孔的形成及其產(chǎn)生機制，已經(jīng)有相當(dāng)多的文獻給予了報道。當(dāng)前針對氣孔缺陷的研究大多是采用對試樣繼續(xù)破壞，然后進行解剖分析給予表征。這些研究均不能提供充分地提供關(guān)于氣孔真實形狀和具體分布的特征。對氣孔的量化分析和三維形貌的系統(tǒng)研究還比較缺乏。

圖５. 不同VED時樣品的氣孔的形貌特征及其形成機制

在當(dāng)今，采用無損的手段，諸如超聲波、紅外、渦流探傷和X射線等對SLM制品進行檢查分析開始逐漸多了起來。在眾多的無損檢查技術(shù)當(dāng)中，XCT技術(shù)可以獲得高分辨率的三維圖像。XCT的結(jié)果可以確保3D打印制品的內(nèi)部特征得到3Ｄ重建，如氣孔、裂紋、球化、夾雜物等均可以以三維的形式表現(xiàn)出來。氣孔的量化、形貌特征的體積分?jǐn)?shù)、氣孔的尺寸分布等均可以通過３D影像分析進行計算。通過XCT分析，研究發(fā)現(xiàn)掃描速度和光斑尺寸會影像SLM打印Ti6Al4V合金的氣孔的形成。在DMLS打印Co-Cr合金樣品時，研究發(fā)現(xiàn)，可以采用不同的方法測量氣孔的孔隙率的精度、并利用XCT系統(tǒng)研究了氣孔的孔隙尺寸和分布。

圖６XCT重建的拉伸樣品的指定區(qū)域的圖像所得結(jié)果

圖解：（a-c）拉伸前，（d-f）斷裂后；（a,d）VED＝32.7，（b,e）VED=58.8；（c,f）VED=132.4；（VED的單位為J/mm　exp（３）），紅色區(qū)域表示會發(fā)生斷裂的區(qū)域。

上海大學(xué)的研究人員通過研究SLM工藝參數(shù)對打印Ti6Al4V合金的影響來揭示在不同參數(shù)下典型缺陷的形成機制。這些典型缺陷通過XCT進行了研究并揭示了缺陷的形成機理、氣孔的基本形態(tài)特征、基本的拓撲特征、氣孔在樣品中的空間分布等。最后，采用不同VED時對制造的樣品的強度和韌性的影響也進行了系統(tǒng)的研究。

圖７. 計算得到的球形度分布以及樣品的氣孔等效直徑之間的關(guān)系

主要結(jié)論：經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)在不同工藝參數(shù)和不同VED下得到了幾種不同類型的氣孔，這是當(dāng)前SLＭ技術(shù)制備 Ti6Al4V中決定缺陷類型形成的關(guān)鍵。依據(jù)氣孔形成的類型可以將ＳＬＭ工藝制備 Ti6Al4V的工藝窗口分為兩大類。在低的VED時形成不規(guī)則形狀的氣孔。而在高的VED時，由于匙孔效應(yīng)和氣體的捕獲而形成圓形氣孔。觀察到的氣孔直徑大都小于１０微米和大于１００微米。氣孔的形態(tài)從圓形到橢圓形以及不規(guī)則形狀，這主要由過高的能量密度或不充分的能量密度所造成的。對于能量不充分的VED，氣孔是不規(guī)則的且尺寸一般大于１００微米，并且經(jīng)常垂直于制造方向并穿過單一的制造層。反過來，能量過大時得到圓形的且尺寸小于６０微米。分析了工藝參數(shù)對致密度和力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究了TC4合金SLM成形件缺陷特征、顯微組織結(jié)構(gòu)等對力學(xué)性能的影響。


文章來源：Study of pore defect and mechanical properties in selective laser melted Ti6Al4V alloy based on X-ray computed tomography，Materials Science and Engineering: A, 2020, 139981，https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139981