金屬增材制造過(guò)程中多尺度缺陷的控制方法

來(lái)源：增材制造技術(shù)前沿

粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的類(lèi)型包括尺寸缺陷、表面質(zhì)量缺陷、顯微組織缺陷以及成分缺陷。本文主要描述對(duì)這些缺陷的控制方法。

1. 殘余應(yīng)力控制
控制成形部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和變形可有效提高成形部件的精度和質(zhì)量。殘余應(yīng)力消除主要通過(guò)熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，熱處理按照其加工過(guò)程可分為：(1) 原位熱處理；(2) 傳統(tǒng)熱處理。

原位熱處理主要是通過(guò)設(shè)置更為合理的過(guò)程參數(shù) (如改變掃描策略)，降低成形過(guò)程熔池與凝固組織間的溫度梯度和冷卻速度，在成形平面產(chǎn)生更為均勻的熱分布。此外，傳統(tǒng)熱處理也可被用來(lái)消除成形部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和提高孔隙率，但在處理過(guò)程中應(yīng)注意設(shè)置合理的保護(hù)氣氛以防止活性金屬氧化。此外，近年來(lái)有研究人員將超聲強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化等新型手段與增材制造相結(jié)合，促使成形部件內(nèi)部殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴睦瓚?yīng)力，極大地增加了金屬部件的疲勞性能。


2. 表面缺陷控制
降低鋪粉層厚可有效減少臺(tái)階效應(yīng)對(duì)于成形部件表面精度的影響，但同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)打印時(shí)間，增加打印成本。此外，打印過(guò)程中合適的擺放位置。現(xiàn)有研究表明成形方向與打印生長(zhǎng)方向夾角小于30°可有效抑制臺(tái)階效應(yīng)對(duì)于成形樣品表面精度的影響。未熔粉末和球化效應(yīng)所引起缺陷可通過(guò)調(diào)控過(guò)程參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。為提高表面光潔度，可篩分出粒度分布較為集中的粉末顆粒進(jìn)行打印。采用較低的掃描速度和較高的激光功率可有望實(shí)現(xiàn)粉末完全熔化，消除球化缺陷，降低表面粗糙度。然而，過(guò)多的能量輸入也可能導(dǎo)致熱應(yīng)力和冷卻速度不均勻造成部件變形等缺陷。因此，需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行廣泛研究，優(yōu)化各種工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度和艙口距離等，以達(dá)到粉末完全熔化條件。

(a, b) 表面粗糙度作為分析粗糙度模型預(yù)測(cè)的傾斜角和顆粒分?jǐn)?shù)的函數(shù)；(c) 多層 PBF 工藝模擬的側(cè)面，以及 (d) 實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)側(cè)面粗糙度的比較

此外，為降低金屬增材制造部件表面粗糙度，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬部件，可采用常規(guī)機(jī)械光整加工方法對(duì)于成形部件進(jìn)行加工處理，如：機(jī)械拋光等。但傳統(tǒng)加工技術(shù)難以對(duì)增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件表面進(jìn)行有效處理。對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異形金屬部件，常采用化學(xué)拋光、磨粒流拋光等先進(jìn)物理、化學(xué)拋光方法進(jìn)行處理。

3. 微觀組織缺陷控制
微觀組織缺陷控制主要通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)和過(guò)程參數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在打印體系中添加新型合金元素或增強(qiáng)相顆粒，可有效改善部件加工性能，消除缺陷，提高打印質(zhì)量和材料性能。目前，用于裂紋敏感合金的附加陶瓷顆粒包括氧化物( Al2O3 , Y2O3 )、氮化物( TiN )、碳化物( TiC , SiC )、水合物( TiH2 )和硼化物( TiB2 )等，這些亞微米或納米級(jí)顆粒增強(qiáng)相可以作為異質(zhì)形核點(diǎn)，誘導(dǎo)等軸晶生長(zhǎng)，共調(diào)更多的應(yīng)變，進(jìn)而消除熱裂紋缺陷。

SS316L和 (b) Ti6Al4V LPBF 中熔池演化和孔隙形成的數(shù)值模擬；(c) Ni-Mo二元合金的AM中縮孔形成的模擬

Al7075合金的PBF打印：（a）標(biāo)準(zhǔn)原料粉末（b）加入納米顆粒的粉末（c，d）樹(shù)枝狀生長(zhǎng)模式從柱狀生長(zhǎng)向等軸生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變（e，f）添加納米顆粒的晶粒細(xì)化和裂紋消除

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(guò)體能量密度公式來(lái)確定合理的加工參數(shù)窗口。但隨著對(duì)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控，急迫需要對(duì)其進(jìn)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(lái)提高其機(jī)械-力學(xué)性能，主要有以下四種方法：


(1) 對(duì)打印過(guò)程參數(shù)進(jìn)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(zhǎng)限制元素或增強(qiáng)相對(duì)合金進(jìn)行合金設(shè)計(jì)，促使熔池中過(guò)冷液體在凝固時(shí)形核成為細(xì)小等軸晶；

(3) 混合處理，在PBF過(guò)程中引入原位軋制或超聲振動(dòng)處理，以外來(lái)能量輸入干涉熔融金屬液體的凝固過(guò)程，促進(jìn)等軸晶的形核與長(zhǎng)大；

(4) 熱處理，通過(guò)對(duì)成形部件進(jìn)行原位熱處理或者后期傳統(tǒng)熱處理，改變晶粒形態(tài)。顯微組織偏析與位錯(cuò)胞行為的控制主要通過(guò)控制打印過(guò)程參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)在PBF過(guò)程中施加原位擾動(dòng)(如電磁攪拌)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀組織與成分偏析的控制。
參考文獻(xiàn)：Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys