激光增材制造（LAM）的冶金学方面综述（1）

江苏激光联盟导读：

本文重点介绍了各种实际应用的先进和高适用材料的微观结构、功能和机械性能，包括不锈钢、镍基和高温合金、钛基合金和金属基复合材料（MMC），以及不同预处理和后处理特性的影响。本文为第一部分。

摘要

增材制造（AM），同样被称为3D打印，是一个备受关注的领域，已被公认为是一种以逐层方法生产工程组件的先进工艺。它既为现有设计提供了替代的制造路线，又支持了使用传统技术无法实现的复杂性的新设计。在不同的AM加工路线中，激光增材制造（LAM）是令人鼓舞的增材制造手段之一，因为它具有以低成本、高质量和高生产率制造产品的潜力。考虑到在这个新的和令人兴奋的领域正在进行许多研究，这篇综述论文论证了目前的技术水平，并考虑了未来研究的新途径。它探索了LAM过程中的关键冶金现象，以及不同LAM技术路线在粉末床熔合（PBF）或定向能沉积（DED）方面的差异，涉及不同形式的粉末床，粉末进料和送丝组装。重点介绍了各种实际应用的先进和高适用材料的微观结构、功能和机械性能，包括不锈钢、镍基和高温合金、钛基合金和金属基复合材料（MMC），以及不同预处理和后处理特性的影响。下文将对现场进行评估；强调了科学理解上的差距，这可能会限制金属零件设计用LAM技术的发展。

1.介绍

美国材料与试验学会（ASTM）将加性制造（AM）定义为“一种将材料连接起来，从3D模型数据中制造物体的过程，通常是一层接一层的过程，与减法制造方法相反”。在文献中也可称为3D打印、快速原型和直接数字制造。根据这个定义，所有类别的材料都可以通过AM处理，包括陶瓷、金属、复合材料、聚合物和有机结构。AM作为一种加工材料的方法已经使用了20多年，尽管最初它仅限于多孔结构的快速成型。随着时间的推移，这项技术得到了改进，生产出的零件具有可接受的密度和质量，可用于现场应用。最近，它正在发展成为一种重要的商业生产技术，能够用多种材料制造可靠且致密的零件，包括钢、镍基合金、钛基合金、金属基复合材料。AM技术可根据进给系统（粉末床、粉末进给和线进给）以及能源（激光束、电子束、电弧、等离子体等）和材料（金属、陶瓷、聚合物、复合材料等）等进行分类。

增材搅拌摩擦法制造成分梯度变化的复合材料。

图在上图中，清楚地展示了通过FSP方法处理FGM的不同步骤。如图所示，通过加工具有不同深度的后续不同凹槽，在凹槽内预放置不同粉末，并使用具有不同长度销的不同工具，一个化学成分梯度转变的搅拌区域逐步产生，而在不同步骤中加工的初始板的厚度没有任何变化。此外，通过改变凹槽的宽度，可以在每层的每个步骤中控制增强剂的体积分数。在这种预先放置粉末的板材系统上完成多道次重叠FSP工艺，可以使夹杂物均匀分散，原位生成新相，并强化致密化和显著的晶粒结构细化。这一过程类似于一种增材制造，通过层层改变化学和颗粒结构来达到产品的最终状态。因此，可以将其归类为AFSM技术生产功能梯度材料的发展路线。

金属部件的AM可被视为传统制造工具的高级组合，例如粉末冶金，以及分别在粉末制备和处理，熔融区形成和熔覆层堆叠方面的焊接和连接。虽然利用这些知识领域很有用，但它们确实提供了对金属增材制造（MAM）各个方面的充分理解。这项技术可能会极大地改变金属零件建筑和设计行业的面貌。因此，大量的研究活动特别针对金属材料的3D制作引发了几篇评论，重点关注加工参数、微观结构特征、机械性能和功能性能之间的相关性。然而，考虑到将该技术应用于更多金属和合金方面的快速发展，必须迅速更新文献，以涵盖与冶金特征相关的新概念和问题。

本文概述了有关AM的文献，重点介绍了用于金属部件选择性熔化和3D制造的激光能源，或激光增材制造（LAM）。该LAM技术可根据其原料分为两类：（i）粉末层熔合（PBF，例如选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS））和（ii）定向能量沉积（DED，例如直接金属沉积（DMD）和激光工程净成型（LENS））。

由于LAM可以制造复杂的几何图形，因此有很好的机会修改工业产品的设计，实现更轻、更高效的零件，以更低的成本更快地制造产品。成本和时间的减少，同时最大限度地减少与人为相关的错误，以及构建几乎任何形状的能力，导致对零件组装的需求减少，产品开发周期加快，这些是LAM相对于传统制造技术的主要优势。与此同时，LAM技术已变得更适合于工业应用，尤其是在小规模生产的行业，并专注于制造具有定制规格的独特产品，尤其是在医疗和航空航天领域的应用。医用和牙科植入物，以及与患者匹配的植入物需要在短时间内获得高质量和更好的生物相容性。LAM制造对这些植入物的复杂性和质量问题产生了特别的影响，因为它们也加速了患者的愈合过程。

换句话说，考虑到用于制造复杂几何形状的逐层金属沉积方法的能力，使用LAM技术可以在短时间内以合理的价格制造出更多的个性化医疗和牙科设备。它还可以在恶劣条件下（在孤立地区）提供独特的制造和维修潜力，包括太空、北极或海上。因此，LAM获得了航空航天和生物医学领域的大量关注，并对主要用于这些行业的四类材料（钢、镍基合金、钛基合金和金属基复合材料）进行了积极的研究。然而，值得一提的是，利用LAM技术以可接受的成本和性能从不同的金属和合金中制造声音（无缺陷）对应物仍然具有挑战性。

计算了第12层的熔接区和σxx应力。(Hodge等人)。

Hodge等人开发了选择性激光熔化的热机械模型，这是一种粉末床AM过程。他们的模型通过使用相依赖的材料特性(如热导率)和粉末颗粒熔化固结产生的体积收缩来考虑胶结和粉末相，如上图所示。

在由LAM技术制造的工程部件中实现令人满意的机械性能是对更广泛利用的最大挑战。在这方面，各种激光处理因素（包括激光功率、激光扫描速度、扫描模式等）的贡献在LAM制造过程中起着关键作用，必须针对产品的特定粉末和沉积几何形状进行控制和优化。改变这些关键参数主要会影响加工环境/条件，例如熔池的形成、温度、热梯度、冷却速率和其他与热有关的特性。随后，通过改变制造零件的微观结构，涉及缺陷形成、残余应力、晶粒尺寸、相变和结晶织构的结构特征阻碍了制造零件的机械性能。

LAM工艺中的定向传热现象通常会导致制造零件中的大规模各向异性，主要由重熔和定向凝固引起。许多研究都集中在评估由LAM技术制造的零件的微观结构和机械产品的各向异性。LAM中的各向异性取决于金属系统和定向凝固行为，导致制造零件中潜在的不均匀性，这取决于加工参数。此外，其他与LAM相关的问题/缺点（如微孔、成球、未熔合等）的产生也可能导致所发明零件的各向异性和机械性能退化。

这篇综述文章的主要关注点是金属部件的LAM、其工艺、微观结构及其机械和功能性能。其目的是建立工艺处理设置和装配结构材料特性之间的相关性。考虑到文献中的重要性和当前技术水平，本次关键评估将重点放在四类材料上：不锈钢、镍基高温合金、钛及其合金和金属基复合材料。详细讨论了LAM生产过程中涉及的关键冶金现象以及制造前和制造后的处理情况。从晶粒尺寸、相变、相稳定性、织构和择优取向、抗拉强度、弹性、流动行为、剪切强度、残余应力、蠕变和高温性能、疲劳和循环行为等方面考虑了这些材料冶金方面的LAM固结结果。通过对最新技术的评估，揭示了文献中的空白和对该领域进行更深入科学把握的障碍。此外，还强调了值得进一步研究的主题，这可能有助于LAM领域的发展。

2.AM系统

AM系统正在迅速部署，许多新系统被设计为以基于层的方式运行。这些系统可以根据逐层沉积策略、能源、建筑体积（尺寸和形状）、制造材料、原料形式和其他参数进行分类。ASTM F2792标准定义了AM技术的七个类别，主要基于沉积方法。其中，粉末床熔合（PBF）、定向能沉积（DED）和薄板层压（SL）适用于金属材料的增材制造（见图1）。根据工艺中的热源，AM技术可进一步分为基于激光、电子束、电弧、等离子体和超声波的系统。根据加工方法的不同，这些AM技术可用于制造聚合物、生物材料、金属、陶瓷和复合材料。AM工艺的另一个典型分类是基于进料模式，即（i）粉末床，（ii）粉末进料，以及（iii）送丝系统。这一重要的分类是本文中公认的安排，也在引入原料的方式上区分了AM工艺，并在沉积速率（生产速度）、复杂性（尺寸公差、精度）、零件变形、残余应力和结构性能方面比较了不同的技术。

图1 激光增材制造（LAM）技术的分类树。

2.1. 粉末床系统

PBF是一种将热源（通常是激光或电子束）应用于在平台上熔化或烧结粉末的过程，在一系列源自特定CAD文件（根据3D对应物的几何结构或设计定义）的部分中逐层进行。首先，在构建台上沉积一层金属粉末。通常，滚筒或刮水器叶片会在表面上分布一层均匀的粉末。然后，热源选择性地熔化或烧结掉的粉末。下一层完成后，将构建台降低，或将粉末台升高，以便将粉末沉积在前一层上。在组件制造完成之前，重复该过程。直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）、激光聚焦（概念激光）和激光金属熔合（LMF）是用于金属部件的基于PBF的LAM技术。这些技术之间有一些细微的差别，但它们在制造过程中都遵循相同的原理。图2显示了使用粉末床组织的LAM技术的代表性设置。

图 2 PBF系统示意图。

2.2. 送粉系统

基于直接能量沉积（DED）的送粉系统使用热源将金属粉末熔合到首选平台上。细颗粒通过构建表面上方的喷嘴，并在逐层程序中追踪组件横截面积的形状（见图3）。激光工程净成型（透镜）、直接金属沉积（DMD）、激光金属沉积（LMD）和激光自由成型制造（LF3）是一些著名的送粉技术。沉积层的厚度通常大于0.1 mm。此外，与PBF系统相比，这些系统通常具有更大的构建量，并且可以制造更大的零件。在某些技术中，喷嘴移动，工件固定；然而，也可以在零件移动时设置固定喷嘴，以创建所需形状。与传统制造部件相比，使用DED技术制造的3D金属部件的晶粒结构更细，这是因为在凝固过程中熔化后的诱导冷却速率更高。

图3 基于粉末进料系统的LAM技术示意图。

2.3. 送丝系统

另一种类型的DED系统涉及使用线状的进料，热源（通常是激光或电弧）以逐层方式融合金属。这个过程一直持续到设计的三维结构被制造出来，如图4所示。由于固体丝的快速传质，送丝系统提供了最高的沉积负荷，适用于需要高沉积速率的工艺。它们还可以用于大型建筑围护结构。然而，由于其基于线材的原料，它们面临着一些挑战，例如低零件精度和较差的表面光洁度。此外，在这些送丝系统中，由于其较高的热输入，变形和残余应力控制更为重要。事实上，熔化送丝需要更高的热量输入，因此，大熔池体积的沉积可能会导致产生更高水平的残余应力，并使几何形状产生更多的热变形。

图4 基于送丝沉积的LAM技术原理图.

2.4. 激光增材制造不同途径的比较

表1提供了LAM系统参数及其典型范围的比较。这种比较包括功率、光束直径、扫描速度、沉积速率、构建尺寸、层厚度和后处理处理等关键变量，它们会影响构建零件的微观结构和材料。在基于粉末的LAM工艺中，由于有限的粉末进给速度、较低的层厚度和有限的扫描速度，制造时间更长。相比之下，送丝系统提供更高的沉积速率，使其更适合制造更大的零件。另一方面，基于粉末的技术可以制造具有更好的表面光洁度和更复杂的设计的零件，并且由于其更细的激光光斑尺寸和层厚度，尺寸精度更高。因为表面精加工通常低于砂型铸造等传统工艺，使用送丝系统制造的零件通常需要进行机械加工和表面精加工，以满足许多尺寸公差。相比之下，基于粉末的涂料几乎不需要或不需要涂饰就可以实用。然而，粉末是昂贵的原料材料，与通常作为焊接耗材以焊丝形式生产的同等商业合金相比，其成本通常高出数倍。

表1 比较不同LAM技术路线的参数和能力。

增材制造工艺中的构建环境是另一个在制造部分的微观结构和机械特性中起关键作用的因素。如果环境中存在大气气体，它们会对机械性能产生负面影响。此外，由于不同元素的蒸气压不同，使用真空气氛和增加熔融材料的蒸发会影响合金的化学成分。此外，在惰性气体流动的系统中，流速和气体湍流会在结构中引入孔隙率。

在DED工艺中，材料沉积角度对于控制工艺过程中的缺陷至关重要。在PBF技术中，扫描策略在防止缺陷方面起着至关重要的作用。由于热梯度方向的作用，扫描策略也会对晶粒的纹理产生影响。由于该方向在沉积过程中几乎保持不变，这通常会导致具有强烈结晶织构的高度定向凝固，从而导致材料的各向异性。仔细控制扫描策略可以产生等轴或柱状晶粒。扫描策略和沉积角度是控制金属AM制造零件各向异性和异质性的重要因素。

在粉末沉积的情况下，粉末特性会对输出质量产生影响。不同的粉末生产方法会导致不同的形貌、尺寸、分布等。粉末中的这些其他特征可能会导致粉末分布不均匀，从而影响制造零件的密度。在线材原料的情况下，这些变化可以减少；然而，导线中的其他缺陷可能会导致LAM零件出现缺陷。金属丝表面的裂纹、划痕和水分和油脂等污染物等缺陷可能会在制造零件中产生孔隙。

沉积速率和光束尺寸影响几何精度和晶粒结构。沉积速率和激光射线尺寸的降低通常会提高装配零件的几何精度。此外，高沉积速率会导致等轴晶粒比例更高的结构。在图5中，建立了不同LAM处理路径的激光功率吸收和光束扫描速度之间的相关性。如图所示，根据LAM加工的材料供给路线，沉积声音3D组件需要更高水平的吸收功率或束流速度。

图5 显示AM技术不同路线的扫描速度/光束速度和功率范围之间差异的示意图。

来源：A review on metallurgical aspects of laser additive manufacturing(LAM): Stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys，Journal of Materials Research and Technology，doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.12.039

参考文献：J. Alcisto, A. Enriquez, H. Garcia, S. Hinkson, T. Steelman, E.Silverman, et al.，Tensile properties and microstructures of laser-formed Ti-6Al-4V，J Mater Eng Perform, 20 (2) (2011), pp. 203-212