激光粉末床熔融增材制造原理及過程缺陷

來源：材料基

激光粉末床熔融增材制造總體流程可以概括為首先進(jìn)行三維模型構(gòu)建與預(yù)處理得到切片后的模型和打印所需的金屬粉末，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、材料特性等確定工藝參數(shù)及激光掃描路徑，最后利用高能量密度激光束(功率為106～108W/cm2)按照規(guī)劃的路徑熔化金屬粉末(常見的粒徑15～63μm)，使其逐層沉積成形，過程如圖1所示。

圖1.激光粉末床熔融工藝過程

按照打印過程中的工藝流程，LPBF的主要流程可分為粉末鋪展階段和激光熔融階段。在粉末鋪展階段，刮刀在每層打印前將粉末平鋪在粉末床上，并將非熔融區(qū)域的粉末回收到余料缸中；在激光熔融階段，高能激光快速熔化金屬粉末，使其逐層沉積成形為所設(shè)計構(gòu)件。通過上述兩個階段的往復(fù)循環(huán)最終得到成形零件。

由于粉末鋪展階段為刮刀、粉末及成形構(gòu)件間相互作用，鋪粉缺陷往往呈現(xiàn)宏觀的特點，而激光熔融過程涉及激光與粉末在微觀層面的復(fù)雜交互過程，致使過程缺陷表現(xiàn)出微觀的特點。因此LPBF增材制造過程中缺陷往往呈現(xiàn)出跨尺度特點。下面分別對粉末鋪展階段和激光熔融階段的過程缺陷展開分析。

過程缺陷類型
在粉末鋪展階段，刮刀將金屬粉末平鋪到成形平臺上，并將多余粉末回收至余料缸中。該階段的缺陷表現(xiàn)為粉末床的非平整，主要包括翹曲、振紋、拖拽、鋪粉不足和碎屑等，如圖2所示。

圖2.粉末鋪展過程缺陷

（1）翹曲
翹曲的形成原因是加工過程極冷、極熱的交替變化造成金屬實體內(nèi)溫度梯度大、殘余應(yīng)力水平高，導(dǎo)致成形件發(fā)生變形而高出金屬粉末的覆蓋。

（2）振紋
振紋的形成原因是刮刀與成形件高出粉末床表面的翹曲變形部位碰撞，刮刀發(fā)生顫振，從而在粉末床上留下與刮刀運行方向垂直的條紋。

（3）拖拽
此外，由于刮刀損壞或刮刀推動粉末床上的顆粒物而在粉末床上留下的與刮刀運行方向平行的條紋即為拖拽。

（4）鋪粉不足
鋪粉不足表現(xiàn)為粉末鋪展后無法完全覆蓋構(gòu)件的成形區(qū)域。

（5）碎屑
碎屑一般指粉末床上位于已熔融區(qū)域外的微小擾動，例如飛濺形成的顆粒物。

事實上，粉末鋪展階段的缺陷會對成形過程造成較大影響，不僅會損壞裝備器件，也會影響成形件的成形質(zhì)量。具體而言，中間層的鋪粉平整程度會影響下一層的鋪粉質(zhì)量，而鋪粉缺陷的逐層累加會導(dǎo)致裂紋等內(nèi)部缺陷。同時，粉末床的填充密度會影響熔融沉積的質(zhì)量，填充不均勻會影響熔池的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)性能質(zhì)量問題。此外，鋪粉缺陷會影響成形件外表面的粗糙度，進(jìn)而降低成形件的疲勞性能。

在激光熔融階段，激光逐層掃描金屬粉末使其受熱熔化，逐漸沉積成形為構(gòu)件。該階段的缺陷與熔池狀態(tài)息息相關(guān)，主要有飛濺、球化、氣孔、未熔合、裂紋等，如圖5所示。

圖3 激光熔融過程缺陷：(a)飛濺；(b)球化；(c)裂紋；(d)未熔合；(e)氣孔

（1）飛濺
飛濺的產(chǎn)生是反沖壓力、蒸氣羽流沖擊和熔融金屬表面張力之間的復(fù)雜相互作用的結(jié)果。

（2）球化
球化在熔池未完全熔化和完全熔化時均會產(chǎn)生。當(dāng)激光未能將單層粉末完全熔化時，熔池呈現(xiàn)高粘性、低潤濕性的固液混合狀態(tài)，傾向于形成球狀物形成球化缺陷；而在完成融化狀態(tài)下，根據(jù)Plateau-Rayleigh失穩(wěn)理論，圓柱形液柱由于其表面張力而具有不穩(wěn)定的形狀，表面張力驅(qū)動圓柱形液柱分解成總表面積較低的液滴，凝固后形成球化缺陷。

（3）氣孔
氣孔缺陷形成原因一方面由于金屬粉末中摻雜氣體對成形過程造成擾動，另一方面是由于激光與粉末復(fù)雜交互產(chǎn)生的金屬蒸汽被保留在成形件中。具體而言，當(dāng)激光作用在粉末上，局部蒸發(fā)形成的反沖壓力在熔池中形成蒸氣凹陷區(qū)，反沖壓力和熔融液體表面張力的波動不平衡導(dǎo)致間歇性熔池坍塌，擠出的氣泡未被冷卻前沿捕獲形成氣孔缺陷。

（4）裂紋
裂紋的發(fā)生是成形過程中不同位置和階段的殘余應(yīng)力導(dǎo)致，根據(jù)形成原因可分為凝固裂紋、液化裂紋和應(yīng)變時效裂紋。凝固裂紋和液化裂紋主要由沉積過程中凝固熔池內(nèi)和部分熔化區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力引起，而熱影響區(qū)沉積后的殘余應(yīng)力往往會導(dǎo)致應(yīng)變時效裂紋。

（5）未熔合
未熔合一般認(rèn)為由于上層的熔池未充分滲透到先前沉積層中，或單個軌道未充分穿透到同一層上的相鄰軌道中導(dǎo)致。

一般來說，激光熔融階段的缺陷會影響成形件的性能質(zhì)量，氣孔會影響成形件的疲勞性能，而飛濺會在粉末床上產(chǎn)生擾動，形成的顆粒物會影響鋪粉的均勻性，導(dǎo)致孔隙的產(chǎn)生。球化會導(dǎo)致熔融沉積的表面粗糙度和孔隙率增大。裂紋會對成形件的力學(xué)性能和疲勞壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，而未熔合又容易誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。LPBF增材制造過程中產(chǎn)生的跨尺度缺陷問題阻礙了高性能成形件的規(guī)模生產(chǎn)，缺陷機(jī)理的研究為抑制缺陷生成奠定了基礎(chǔ)。通過機(jī)理仿真和工藝參數(shù)優(yōu)化，建立缺陷和工藝參數(shù)的映射關(guān)系，確定適合的成形質(zhì)量工藝窗口，為后續(xù)的成形質(zhì)量過程監(jiān)測、評判和調(diào)控提供機(jī)理及理論支撐。

已經(jīng)有學(xué)者對此展開了大量的研究工作，例如：

南京理工大學(xué) 廖文和 團(tuán)隊 在熔池演變、工藝參數(shù)與力學(xué)性能關(guān)系方面開展了大量研究，評估了激光功率等工藝參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度及成形質(zhì)量的影響。

華中科技大學(xué) 史玉升 團(tuán)隊 對激光選區(qū)熔化的微觀結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能關(guān)系開展了大量研究，揭示了構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也研究了激光功率等參數(shù)對成形質(zhì)量及構(gòu)件性能的影響。

中國科學(xué)院大學(xué) 朱錕鵬 團(tuán)隊 對熔池動態(tài)行為和鋪粉缺陷形成機(jī)理開展了相關(guān)研究，使用基于統(tǒng)計學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)等方法表征熔池的動態(tài)行為，開展了增材制造中羽流、飛濺等熔池相關(guān)特征的監(jiān)測研究，為LPBF增材制造過程的智能監(jiān)測提供了新的思路。