華中科技大學的研究人員王澤敏等人采用多光束激光進行了SLM制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15)的研究，發(fā)現定向的氣孔由于激光的切換而在搭接區(qū)存在；同步的掃描策略導致了致密度的退化；多光束激光SLM造成幾乎完全的馬氏體α' 結構。隨著激光數量的增加造成馬氏體α' 粗化和硬度的降低。

成果簡介

基于粉末床的多光束激光打印由于該技術可以直接制造復雜的結構和大尺寸的部件而吸引了廣泛的關注。在本工作中，采用這一技術制造了Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15) 部件，此時的多光束是順序和同步的掃描策略。缺陷的形成機理和多光束（最多為4個）對密度，顯微組織和顯微硬度的影響進行了澄清。研究發(fā)現，致密度隨著光束的數量增加而劣化。激光的切換誘導產生的氣孔在順序掃描策略的過程中占據主導地位，這導致在掃描搭接區(qū)產生直接的氣孔分布。同步掃描策略時具有類似的現象發(fā)生。而且，同步掃描的激光相互作用會導致熔池模型的潛在過渡和反沖汽壓的增加，這會顯著的惡化材料的致密度。多光束SLM制造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件由幾乎為完全的馬氏體α'所組成。多光束SLM制造誘導的低角度晶界向高角度晶界過渡，其原因是熱積累效應所造成。因此，在采用更多的光束進行加工時會造成針狀馬氏體α'的緩慢的粗化。這導致單個，雙和四光束SLM制造的樣品硬度從大約為423Hv到大約388Hv變化。多光束SLM的顯微組織-性能同Hall-Petch關系式也是吻合的。

圖1 成果的Graphical abstract

成果背景

鈦合金由于具有諸如高強度，耐腐蝕和低密度等優(yōu)點而廣泛的應用在航空航天和汽車工業(yè)中。作為航空航天工業(yè)中的重要的結構材料，近α鈦合金 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V （ 在中國指 TA15 ) 被用來制造飛機艙壁，壁板和機匣等運行溫度較高和復雜的結構場合。早期的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V合金的研究主要聚焦在變形行為，熱處理和焊接上。然而，航空航天器件向著高性能，輕質和重載的方向發(fā)展，從而對傳統的制造復雜結構的制造工藝提出了更高的要求。

圖2 多光束SLM制造: (a)示意圖; (b) 改變X/Y光柵的掃描策略;(c) 單光束,雙光束和四光束SLM制造在平臺的位置

在這一背景下，研究人員引入增材制造技術來制造具有復雜結構的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金。由于飛機艙壁，壁板和機匣向著大尺寸的方向發(fā)展，當前的增材制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的主要研究集中在激光直接沉積上（LMD）。無論如何，LMD的缺點存在精度低和設計自由度比SLM 差的特點，限制了制造復雜結構的制造。粉末床激光成形（SLM）被認為是另外一種以激光為基礎的AM技術。該技術吸引了大量的注意，這是因為該技術具有制造幾乎完全致密的，高精度的和復雜形狀的金屬部件。然而，傳統的SLM技術由于制造氣氛室尺寸的限制和制造效率低等原因而不適合制造大尺寸的部件。一些研究工作表明幾乎為全致密的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件可以采用LMD和SLＭ進行制造。結果表明兩者制造出來的致密度幾乎沒有區(qū)別。這兩種技術的差別在于制造效率，尺寸精度和顯微組織形態(tài)上。

圖3 多光束應用在搭接區(qū)時的示意圖:a) 順序激光掃描策略; (b)同步激光掃描策略

同傳統的LMD和SLM制造技術相比較，多光束SLM制造技術綜合了高精度和高效率的優(yōu)點，特別適合制造大尺寸的和復雜結構形狀的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件。然而，迄今為止，只有少量的工作是關于多光束SLM制造的。Tsai 等人使用一個衍射光學元器件在單激光系統中構建了一個多光斑的系統。這一多光斑掃描的速度同傳統的單激光掃描系統相比較，提高了 38%的效率。Roehling等人則發(fā)展了一個多激光系統，整合了光纖激光和四個半導體激光來原位控制SLＭ制造過程中的殘余應力。Heeling和 Wegener則使用一個雙光束系統來制造完全致密的316 L不銹鋼樣品。一個激光束用來熔化粉末，另外一個激光束用來加熱熔池附近的材料，進行預熱或者后熱該區(qū)域。

圖4 順序激光掃描和同步激光掃描得到的致密度的對比

盡管多光束技術同單光束技術相比較在本質上具有一定的優(yōu)勢，但依然存在諸多問題沒有解決。多光束搭接區(qū)經常都至少有幾個毫米的寬度以確保連接的質量是可靠的。由于多個激光束進行掃描的時候依然需要搭接區(qū)的存在，就需要對致密度，顯微組織和部件的性能均勻性在單激光SLM制造和多激光SLＭ制造的時候進行同單激光要一樣。Andani等人的研究顯示在雙光束SLM制造時存在更多的飛濺和更大的反沖汽壓.他們發(fā)現未熔化的區(qū)域是兩個激光工作靠的非常近的時候對樣品的機械性能有影響.Li等人發(fā)現臺階效應影響著多光束制造Ti6Al4V合金時的搭接區(qū)的表面形貌.然而,在搭接區(qū)的致密度沒有被提及.使用同一設備,Zhang等人制備出幾乎為完全致密的AlSi10Mg合金.他們發(fā)現搭接區(qū)的致密度和晶粒尺寸比采用單激光束進行掃描的時候要稍微小一些.如同Wei等人所研究的,匙孔效應造成的缺陷會在搭接區(qū)由于多光束相互干涉而形成.當多光束激光掃描接近時,其缺陷會由于激光羽毛效應的作用而得到加強.

圖5 典型的缺陷位置:(a)示意搭接線,氣孔的位置沿著 (b) XY 平面在雙激光束時的搭接區(qū); (c)在XY平面四激光束的搭接區(qū)位置; (d) 在XY平面中四激光束SLM的邊緣; (e)XZ平面內四激光束的搭接區(qū)　

此外,掃描策略在應用到搭接區(qū)的時候需要提供更多的注意力,這是因為要避免多光束所帶來的不利影響.在早期的多光束LSM制造設備中,多光束的掃描策略大多采用平行的方式,這意味著激光束在搭接區(qū)是獨立工作的.在雙激光束掃描實驗中,兩個激光束中一個小的偏移量,張等人研究發(fā)現在兩個掃描的熔池之間出現周期性的粗化.后來,Heeling和 Wegener 等人提出了一個空間同步的多光束掃描策略.該技術可以允許多光束形成工作組而熔化粉末,因此造成了比較高的材料致密度.多光束掃描策略造成的高的溫度梯度意味著搭接區(qū)的缺陷,顯微組織和機械性能會發(fā)生潛在的改變.

.圖６　熱的飛濺噴射行為隨著時間和光束數量變化的情況：單激光束條件下(a1-a4)為時間序列的快照；(b1-b4) 為雙激光束空間同步的軌跡．在雙激光加工過程中，雙激光束在空間碰撞來模擬激光相互作用的瞬時效應

在華中科技大學的這項研究中,采用一個四激光束SLM制造技術來制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件.在兩種不同的掃描策略下搭接區(qū)的致密度的惡化進行了研究以深入了解多光束對缺陷生成的影響.對缺陷生成的機理進行了澄清.此外,采用單激光束,雙激光束和四激光束制造的樣品在缺陷的特征,顯微組織和顯微硬度上的差別進行了研究.

圖７　多光束SLＭ制造時誘導的缺陷形成機制的示意圖：(a)順序掃描策略：激光束切換誘導高能輸入和促進氣孔沿著搭接線和邊緣進行；匙孔. (b) 同步掃描策略：激光相互作用導致潛在的匙孔模型參考和高的反沖氣壓

圖８ (a) 單激光束；(b)雙激光束和　(c) 四激光束制造的樣品的反極圖

圖９：不同數量的激光束作用下得到的樣品的晶粒尺寸 　

圖１０：(a-c) 單激光束；(d-f)雙激光束和 (h-j) 四激光束制造的樣品在不同的放大倍數下的金相照片

研究成果的主要結論：

在當前的研究工作中，四激光束SLＭ增材制造系統用來在兩種不同的掃描策略下進行制造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 部件．通過研究樣品的缺陷，顯微組織和顯微硬度的特征，其缺陷生成機制和顯微組織的演化進行了澄清，主要結論如下：　

(1)當在多光束SLM制造系統中增加更多的激光束的時候，樣品的致密度會在順序掃描和同步掃描的策略下出現致密度劣化，順序掃描策略比同步掃描策略更能提高致密度．順序掃描和同步掃描策略中的常見缺陷為定向的氣孔沿著多光束搭接的區(qū)域發(fā)生；這是光束切換時產生的．在同步掃描策略條件下獨特的缺陷特征時多光束激光相互作用造成的．

(2)激光的相互作用增加了體積能量密度，當采用同步掃描策略的時候,導致過渡參考向匙孔模型轉變.高速影像結果證明激光的相互作用誘導了一個高的反沖氣壓和創(chuàng)造出大的且更加不穩(wěn)定的金屬蒸汽在熔池周圍形成,這對缺陷的形成負主要責任.激光的相互作用對缺陷的生成比激光切換更加明顯.結果,同步掃描策略會顯著的損害多光束LSM制造時的部件的致密度.

(3)所有的多光束SLM制造的樣品均由幾乎為完全的針狀馬氏體α'組織.多光束激光工藝取決于熱積累效應.小角度晶界向大角度晶界的過渡和慢的晶粒粗化發(fā)生在增加激光束數量的時候.多光束的SLM制造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金的顯微硬度在 (388–423 Hv)的范圍,并且簡單的遵從Hall-Petch關系式.在所有的樣品中,四光束SLM工藝制造的樣品具有最低的顯微硬度,這是因為晶粒粗化造成的.

圖11 同步掃描策略條件下SLM進行制造的樣品的情形

文章來源：Multi-laser powder bed fusion of Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V alloy powder: Defect formation mechanism and microstructural evolution,Powder Technology,Volume 384, May 2021, Pages 100-111.https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.02.010

參考資料:Effect of laser-plume interaction on part quality in multi-scanner Laser Powder Bed Fusion,Additive Manufacturing,Volume 38, February 2021, 101810,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101810