激光增材制造（LAM）的冶金学方面综述（2）

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。本文为第二部分。

2.5. 激光金属制造（LMAM）技术中的冶金现象

金属部件的激光增材制造（此处简称LMAM）具有很高的冷却速率，这是由于基于层的材料沉积导致了一些独特的现象，其中一些现象尚未完全解释。这些也可能对装配式结构的机械和功能性产品产生重大影响。理解这些现象（从相变到制造零件中的残余应力）对于成功制造功能增强零件至关重要。因此，简要回顾LMAM中涉及的各种现象的细节及其对制造过程的影响非常有用。

在过去几年中，与传统技术相比，LAM在组件制造方面具有许多优势。它之所以成为人们关注的焦点，主要是因为在能源、设计、材料和几何形状方面增强了控制和灵活性。然而，LAM流程中仍然存在许多具有挑战性的问题。在LMAM技术制造的零件制造过程中会出现各种物理现象：汽化，流体流动，马兰戈尼流动，传导，辐射，相变，球形，卷曲，传热，传质，固结等。在这些现象中，那些影响尺寸精度或在残余应力中起作用的现象被认为是最具挑战性的现象。基于此，传热固结、残余应力、分层、滚珠、孔隙率和阶梯效应是LMAM中需要特别注意的最关键现象，以实现更高的产品质量。

介观尺度模型孔隙度计算

如Xia等人使用随机填充粉末床的瞬态中尺度模型研究了孔隙度的演化和机制。结果表明，在高扫描速度下，熔池寿命短，熔池速度和深度明显降低。随着扫描速度的增加，孔隙率从冶金孔隙率转变为开放孔隙率，如上图所示。

2.6. 固化

凝固机制对加工材料的微观结构和织构产生重要影响。同样，微观结构直接控制制造零件的性能。激光沿着一条路径熔化材料，形成一个熔池，当激光交换到另一个点时，熔池迅速冻结。熔池的冷却速度取决于扫描速度、激光功率、基板初始温度、扫描间隔等因素。由于激光功率的增强，随后扫描速度的降低，导致更高的线性热输入，从而导致熔池体积的增加。这种效应通过材料的固结达到较低的冷却水平，由于焊缝熔核的长期存在，可导致前一层或基体熔化。这可以通过减少作为散热器的基板中的热量来抑制，以在某些系统中实现更快的冷却。

此外，在该过程中，沉积材料的晶粒以结晶“易生长”取向生长，这源于衬底层中晶粒的取向。在制造零件的外延晶粒生长过程中，基板充当晶粒生长的种子，这样柱状晶粒可以沿着热流的反向路径通过层生长。

扫描速度会显著影响冷却速度。该参数可以将产品的微观结构从粗微观结构改变为细微观结构，其中快速冷却速度促进等轴微观结构。改变工艺参数会显著影响冷却速度，当形成更精细的结构时，通常可以提供更有利的微观结构和性能。

五种增材制造钛合金板材：TC4（a）、TC11（b）和TB6（c）的激光重熔样品的晶粒形貌。

在某实验中，随着钛合金Q值的增加，局域LAM熔池中EG的形核和生长趋势逐渐增加。相比之下，随着Q的增加，CG的外延生长受到抑制。然而，激光重熔单轨样品的情况完全不同，如上图所示。五种增材制造钛合金的所有激光重熔样品均由完整的柱状晶粒组成。这意味着在激光重熔的凝固条件下，等轴晶不能完全形核。然而，激光重熔TB6样品（图c）中的枝晶结构比激光重熔TC4样品（图a）中的枝晶结构更清晰。这些结果表明，除了钛合金的Q值外，同轴输送到熔池中的粉末对局部熔池的凝固晶粒结构也有重要影响。

2.7. 残余应力、分层和开裂

由于LAM工艺的高冷却速率和热历史的循环性质，残余应力通常是制造零件中的一个问题。残余应力也可能导致部件分层和开裂。因此，为了在产品中实现更高的质量和密度，必须控制残余应力的水平。

由于这些过程中存在热梯度，上层的较高温度会导致该层中的热膨胀，而该热膨胀会受到其下方先前固化层的抵抗。如果诱导应力超过上层的屈服强度，则可能发生塑性变形。如果该残余应力局部超过材料的极限拉伸应力，则可能导致产品变形，甚至裂纹萌生和分层，如图6所示，适用于M2高速和304L不锈钢。

图6 宏观图像显示（a）LAM M2高速钢样品的分层和（b）在LAM沉积期间304L不锈钢样品中形成的微观和宏观裂纹。

基于熔化层的热收缩，后一种机制可能会导致开裂，而基材对这种收缩的阻力会导致熔化层中的拉伸应力和基材中的压缩。控制热梯度是降低此类热应力和减少制造零件中裂纹数量的关键因素（见图6a，b）。此外，预热基板会导致较低的热梯度和冷却速率，因为这也会减少晶格应变或变形。再熔化层并不是减少制造过程中裂纹和分层的一种有希望的方法，因为新层有利于产品的晶体结构和变形。因此，之前的热循环会在最后一层中重复新的残余应力。

2.8. 残余孔隙度

LAM技术中最可能的困难之一是由于存在气体或未熔合而产生的残余孔隙度。导致熔合气孔的主要原因是粉末/线材材料的熔化不足。此类孔隙通常具有不规则形状，并且在该层平面上大多被拉长。多孔性是由粉末/金属丝进料方案中截留的气体或加工材料过程中释放的气体引起的，尤其是当它们在制造过程中被截留在粉末或金属丝中时。如图7a所示，这些孔隙通常呈球形，可出现在任何位置，适用于17-4PH不锈钢。气体孔隙率通常比缺乏聚变引起的孔隙率具有更小的数量和尺寸。

任何偏离最佳工艺参数的情况都可能导致制造零件的孔隙率增加。在最佳参数以下，扫描速度和激光功率越高，制备过程中气孔率越大，如图7b、c所示。除了激光功率和扫描速度外，舱口间距是影响材料熔合的另一个关键因素，从而影响材料的孔隙率。增加舱口间距会导致扫描轨迹之间的重叠不足，从而导致固结不足和零件的孔隙度增加。激光功率被认为是影响试样气孔率的最重要因素。在PBF技术中，由于气体的蒸发作用，在光束路径附近的粉末会被清除掉，导致材料不足而导致微小的间隙，并导致零件出现微观缺陷。

图 7（a） LAM沉积件17-4PH不锈钢内部孔隙的球形和不规则形态。在120 W恒定激光功率下，（b）360和（c）1560 mm/s两种不同激光横向速度下，多孔制造的Ti–6Al–4V钛合金材料具有不同形貌的孔隙率分布。

2.9. 成球效应

在LAM过程中，沿着光束轨道的熔融材料倾向于通过表面收缩降低其表面能，这种现象导致球化效应。控制这种现象最有影响力的参数是氧含量、扫描间隔、激光功率和扫描速度。

这种现象是基于材料的加工条件和物理性能，特别是表面张力的冶金过程，它可能导致零件的孔隙率和表面不规则性增加，同时也由于表面粗糙度过大而导致PBF系统中的动力扩散系统和叶片运动的问题。图8显示了在不同扫描速度下激光沉积单轨后316L不锈钢的这种效应。

图8 不同激光横向速度下的单轨沉积表明316L不锈钢沉积过程中存在球化效应。

建造室中的氧气会导致熔池氧化。表面氧化物的存在降低了材料的润湿性。提高扫描速度或从最佳参数降低激光功率会导致较小的熔池，这意味着熔池和基板之间的界面较小。这种情况会导致不合适的润湿性和熔体流动，从而导致成球效应。除了优化工艺参数外，重新熔化扫描轨迹还有助于通过重新熔化球来控制这种现象，从而在界面中达到更合适的润湿性。

2.10. 阶梯效应

AM技术中的逐层堆积过程会导致阶梯式后果，对产品的表面光洁度产生负面影响，如图9所示。这种现象主要出现在建筑方向的弯曲几何形状或表面上，与建筑趋势成一定角度。加工过程中的层厚会显著影响这种现象，并直接影响表面光洁度。更高的层厚度会导致制造的试样表面光洁度较差。选择合适的沉积方向和工艺参数是控制这种效应的关键因素。

图9 示意图显示了AM预制件中的楼梯踏步效果。

3.激光增材制造的金属零件的特性

3.1. LAM工艺过程中的织构演变和微观结构发展

3.1.1. 晶体结构与增材制造

由于织构对LAM零件的机械材料起着关键作用，研究加工条件和产生的织构的相关性已成为研究人员的首要任务。当制造参数改变时，给定设计和尺寸的响应在纹理上可能会显著不同。热输入对热梯度的巨大影响会极大地影响制造组件的一致性。本部分分别讨论PBF和DED方法的这一问题。

3.1.1.1. PBF系统中的纹理

在这些系统中，建筑方向（<001>或Z轴）上的纹理增长经常被报告。粗柱状晶粒的取向是建筑方向，而不是假设凝固前沿。颗粒生长到超过层大小的尺寸，这意味着它们通过多层。由于扫描策略从后向前移动，并在连续层中进行多次旋转，因此构建方向是晶粒生长的首选方向。这种定向晶粒生长导致Z轴方向的纤维织构，如图10所示。在凝固前沿或最大热梯度方向生长的晶粒有利于单束焊道的变化。然而，当涉及到零件制造时，光束方向上的旋转和反转对它们的对齐来说是一个挑战，导致一种结构，即沿建筑方向定向的晶粒占据了纹理。

图 10 基于PBF的过程中层间沉积过程中纹理生长的示意图。

3.1.1.2. DED系统中的纹理

在DED过程中应用不断变化的光束扫描策略会导致试样中出现倾斜的立方体纹理，而在一条直线上扫描会产生纤维纹理成分。由这些条件诱导的晶体织构介于优选生长方向和最高热梯度方向之间。在一些扫描策略中，晶粒的生长方向可能与热梯度作为主要模式的方向不同。

考虑到晶粒的生长模式，基于每层成核所需的高驱动力，不太可能匹配每层中的最大热梯度。另一种模式表明，枝晶垂直排列在相邻的层上。当扫描轨迹被放置在所有轨迹的相同方向上时，报告该方向（图11a）。第三种更可能的模式出现了，表明晶粒排列和扫描方向之间存在45°角，如图11所示。这使得上层的一次枝晶能够外延生长到上一层的二次枝晶。新沉积层中的晶粒与水平线成45°角，导致每层中最高热流路径偏离15°（见图11）。

图11 通过（a）单向和（b）双向扫描策略显示Inconel 625高温合金枝晶生长的显微图像。

图12和图13分别显示并比较了S316L奥氏体不锈钢和S410L马氏体不锈钢的EBSD晶粒结构图、反极图（IPF）和极图（PF）显示的晶体织构数据。对于具有面心立方（FCC）晶体结构且无固态奥氏体-铁素体相变的奥氏体不锈钢，定向凝固通过（111）个紧密堆积平面的金刚石阵列（以<200>为主导成分）产生相对定向的固体织构（J指数=11.5）。同时，对于具有体心立方（BCC）晶体结构的马氏体不锈钢，LAM沉积可通过快速冷却形成马氏体板条及其首选取向以及沿边界的微孪生，从而诱导复杂的晶体织构。

图12 EBSD结果显示了S316L奥氏体不锈钢在LAM沉积后的（a）晶粒结构图，（b）逆极点图（IPF）和（c）极点图。

图13 EBSD结果显示了LAM沉积后S410L马氏体不锈钢的（a）晶粒结构图，（b）逆极点图（IPF）和（c）极点图。

3.1.2. 微观结构

在LAM工艺中，装配零件通常会经历一个复杂的热循环。在此过程中，粉末/金属丝吸收光束的能量，并将其转化为热量，从而迅速将温度提高到熔点以上。当热源移动到另一个点时，凝固很快发生。重复这一过程，直到整个体积被制造出来，所有层都经历了类似的热循环。由于这些循环，制造的零件包含非平衡和亚稳态相，从一层到另一层各不相同，这使得准确预测微观结构具有挑战性。由于LAM技术基于金属材料的逐层熔化和固化，因此有两个参数强烈控制固化结构，如图14所示。这两个关键参数是根据凝固速度（R）和温度梯度（G）定义的，而它们主要受激光功率（P）、横向速度（v）、激光束直径（d）、聚焦几何结构、粉末特性、保护气体（类型、纯度和压力）等最重要的激光处理边界的影响。

图14 根据凝固速度（R）和温度梯度（G）之间的相关性预测LAM沉积期间的晶粒结构。值得注意的是，该图两个轴上的刻度都是典型的，稳定性区域可能会因所加工的金属/合金而发生很大变化。

凝固前沿生长形态可能会有所不同，从平面到柱状、树枝状，最后是等轴。基于与这些比率的这种相关性，通过在平面生长区域的范围内控制激光材料加工参数，甚至可以根据LAM沉积技术制造单晶3D组件。然而，通常如图14所示，位于黄色区域范围内的LAM工艺参数可以定义LAM沉积期间柱状、树枝状和等轴形态之间微观结构的变化。曲线中绘制了一条红线，称为柱状到等轴转变（CET）边界，显示了这种重要转变的临界情况。值得一提的是，根据这样的图表，温度梯度和凝固速度的交叉积产生了冷却速率，这就是从曲线的左下侧向右上方区域进行微观细化的原因。

基于LAM技术的特定热循环，与传统方法相比，装配零件通常具有细粒度结构。这是因为这些方法中的局部热输入和较小的熔池体积导致材料快速凝固。此外，许多参数影响温度梯度，如能量密度、光束大小、扫描速度、层厚度、预热温度。同样，基材和环境对温度梯度也有重大影响。即使在使用均匀材料的给定过程中，粉末包围的区域也显示出与使用固化材料的区域不同的热传导。制造零件的微观结构在该领域内可能会有所不同，尤其是在材料的表面和本体组件之间。热传导随方向而变化，由于先前构建层的固化材料，构建方向（Z）上的热传导通常高于其他方向（X，Y）。这导致发明产品的机械性能和微观结构各向异性。

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