本文探討了激光制造鋼的工藝進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)。本文為第三部分。

進(jìn)料速度

粉末進(jìn)給速度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，只有在L-DED系統(tǒng)中可用。進(jìn)給速度對(duì)鋼單軌尺寸的影響不同于激光功率和掃描速度。圖5(a-b,e)顯示了L-DED型不銹鋼單軌的高度和寬度隨粉末進(jìn)給率的變化。Song等人報(bào)道了與熔池高度和寬度相同的軌道高度和寬度，隨進(jìn)粉速度的變化而變化。隨著進(jìn)給速度的增加，寬度減小，高度增加，如圖5(a,b)所示。然而，Lu和同事報(bào)告了一個(gè)不同的結(jié)果，單軌的寬度和高度都隨著進(jìn)給速度的增加而增加，如圖5(e)所示。

這種不一致的實(shí)際原因是未知的，可能需要進(jìn)一步的工作來(lái)澄清它。一般來(lái)說(shuō)，與激光功率或掃描速度不同，進(jìn)粉速度越高，捕獲效率越低。盡管增加粉末進(jìn)料速度可以使更多的粉末被困在熔池中，但它也增加了進(jìn)入輻照區(qū)域的粉末總量。這將產(chǎn)生過(guò)多的未熔化粉末，這些粉末作為漂浮顆粒，有效地保護(hù)熔體池不接受進(jìn)一步的粉末，從而降低捕獲效率。因此，從這個(gè)角度來(lái)看，一個(gè)適當(dāng)?shù)姆勰┻M(jìn)料速度是重要的，以確保一個(gè)具有成本效益的過(guò)程。此外,了解粉末流速的影響尺寸精度的H13工具鋼部分,CUI和同事測(cè)量的實(shí)際層厚度一層用一個(gè)L-DED制作的過(guò)程,分析了厚度誤差(實(shí)際層厚度的差異設(shè)計(jì)層厚度)。

高的粉末質(zhì)量流率導(dǎo)致了低尺寸精度和高孔隙率(圖6(b))。這是由于高粉流密度引起入射激光束的散射，使激光輸入能量衰減，從而可能導(dǎo)致多孔性。孔隙度主要來(lái)源于層間未熔化的粉末，這可以從圖8(d-f)中L-DED不銹鋼單層掃描軌跡的SEM顯微圖中得到證實(shí)?？梢钥闯觯S著進(jìn)給速度從6.5 g min-1增加到9.8 g min-1, L-DED沉積的316L鋼的單軌表面出現(xiàn)了更多的未熔化粉末。

更重要的是，對(duì)L-PBF制備的316L不銹鋼的大量研究表明，這些未熔化的粉末顆粒和生成的氣孔可能是變形過(guò)程中裂紋的來(lái)源或擴(kuò)展區(qū)，從而顯著降低了其力學(xué)性能，特別是韌性和抗疲勞性能。一般來(lái)說(shuō)，LAM加工試樣疲勞失效的原因主要與裂紋的萌生有關(guān)，裂紋的萌生主要來(lái)自表面或亞表面的凝固缺陷，包括氣孔和未熔化粉末。Liverani等報(bào)道，在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，裂紋形核位點(diǎn)與亞表面(圓柱形試樣)附近未熔化粉末顆粒的存在有關(guān)，如圖14(a)所示。Yadollahi在拉伸試驗(yàn)(圓柱形試樣)中也報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果。如圖14(b)所示，裂紋擴(kuò)展路徑被觀(guān)察到是由于這些未熔化的粉末顆粒的存在而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。雖然裂紋萌生取決于合金的機(jī)制以及應(yīng)用應(yīng)力/應(yīng)變水平(即低和高循環(huán)疲勞),un-melted地區(qū)(即夾層腔、空洞和粉末)接近表面發(fā)現(xiàn)不利于抗疲勞強(qiáng)度由于他們提供高壓力濃度。

此外，這些未熔化區(qū)和粉末對(duì)塑性也有顯著的負(fù)面影響，特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼。如圖14(c,d)所示，在制備17-4析出硬化(PH)不銹鋼的L-PBF拉伸斷口上可以觀(guān)察到缺陷(空洞、未熔化區(qū)和粉末)，這是由于制造過(guò)程中未熔化造成的。此外，在應(yīng)力過(guò)程中，顆粒-基體界面的脫鍵和開(kāi)裂也會(huì)導(dǎo)致空洞形核。與疲勞斷裂相似，在拉伸載荷作用下，這些未熔化區(qū)域也可作為裂紋的形核點(diǎn)。

圖14 (a)亞表面缺陷內(nèi)未熔化的顆粒，導(dǎo)致裂紋形核;(b)疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)未熔化顆粒引起的二次裂紋和路徑偏差，插圖顯示擴(kuò)大的區(qū)域;(c) 17-4 PH值的L-PBF不銹鋼拉伸斷口的低放大率和(d)高放大率，箭頭表示未熔化的粉末顆粒。

層厚度

設(shè)置正確的層厚對(duì)于保持零件的幾何精度非常重要，由于沉積噴嘴(L-DED)或粉床工作臺(tái)(L-PBF)沿著平行于建筑方向的Z方向移動(dòng)，因此也被稱(chēng)為Z增量或切片厚度。值得注意的是，預(yù)先設(shè)定的層厚不能視為印刷層厚，印刷層厚取決于熔體池的實(shí)際深度。這通常是由所有參數(shù)的組合控制的。在這篇綜述中，術(shù)語(yǔ)“層厚度”是用來(lái)指設(shè)置層厚度。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將層厚設(shè)置為略高于平均粒徑的值。近年來(lái)，在L-PBF和L-DED技術(shù)中，研究了層厚對(duì)鋼性能的影響。

Bi等通過(guò)監(jiān)測(cè)熔池的紅外(IR)溫度信號(hào)，研究了z增量(設(shè)置層厚度)對(duì)L-DED構(gòu)建的316L樣品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著z增量從0.05增加到0.25 mm，樣品頂面由光滑變?yōu)楦叨炔▌?dòng)/不均勻，說(shuō)明z增量較大的薄壁樣品尺寸精度較差(圖15(a,b))。這是因?yàn)橛∷雍穸然蛉鄢厣疃扰c高設(shè)定的0.25 mm的z增量值不匹配。因此，在幾層后，熔池轉(zhuǎn)移到粉末噴射的發(fā)散部分，從而少量粉末沉積到熔池中。

圖15 (a、b)用L-DED打印的316L薄壁前視圖，尺寸為0.05和0.25 mm，分別為[56];(c)不同層厚和掃描速度(激光功率= 50 W)的316L鋼激光燒結(jié)軌跡俯視圖。

對(duì)于L-PBF工藝，研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置層厚度越高，孔隙度越高，如圖6(d)和圖7(f-h)所示。圖15(c)綜合了層厚和掃描速度對(duì)L-PBF構(gòu)建的316L不銹鋼單軌行為的影響。在厚度小于50 μm時(shí)，所有316L粉末(-25 μm)與激光光斑(70 μm)內(nèi)的激光輻射相互作用，形成連續(xù)軌跡。在恒定的掃描速度下，在臨界層厚度上，單軌由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)，如圖15(c)中的虛線(xiàn)曲線(xiàn)所示。在建立在臨界層厚度之上的軌道上，可以識(shí)別出嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。臨界層厚度與高孔隙率有關(guān)，因?yàn)閵A層未融合。此外，從圖15(c)中還可以看出，為了保證單軌的連續(xù)，掃描速度越低，臨界層厚度越大。這是因?yàn)檩^低的掃描速度與較高的激光能量輸入相關(guān)聯(lián)，從而能夠熔化較厚的粉末層。

在連續(xù)軌跡的臨界值以下，降低層厚可以細(xì)化L-PBF鋼的組織。如圖16(a-c)所示，L-PBF生產(chǎn)的304鋼的奧氏體晶粒隨著層厚從150 μm減小到60 μm而不斷細(xì)化。此外，這些顆粒中的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)也被相應(yīng)地細(xì)化，如圖16(d-f)所示。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)的細(xì)化主要?dú)w因于相對(duì)較高的冷卻速率與較低的層厚有關(guān)。

Mazumder等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了LAM期間的冷卻速率既依賴(lài)于層厚又依賴(lài)于比能(見(jiàn)圖17)。從圖17(a)可以看出，隨著層厚的減小，冷卻速率顯著增加。因此，在L-PBF制備的鋼中，厚度越薄，冷卻速度越快，組織越細(xì)。

圖16 (a - c)光學(xué)和掃描電鏡(d - f)在激光功率密度為104-105 W mm-2的截面上拍攝的304鋼L-PBF的顯微照片，其層厚度分別為60 μm (a,d)、100 μm (b,e)和150 μm (c,f)。樣品沿著平行于建筑平面的剖面(即XY剖面)進(jìn)行查看。

圖17 層厚(a)和比能(b)對(duì)L-DED型鋼H13模具鋼冷卻速率的影響。

需要指出的是，上述解析模型(即式(3))估算的冷卻速率僅反映了整體的冷卻狀態(tài)，并不能反映熔池的熱歷史演化。熱歷史(如熱梯度和冷卻速率)隨熔池中的位置而顯著變化，這一點(diǎn)在LAM和焊接過(guò)程中都得到了證實(shí)。這導(dǎo)致了熔池組織和力學(xué)性能的不均勻性。由于在實(shí)驗(yàn)中很難監(jiān)測(cè)這種小規(guī)模熔體池中凝固過(guò)程，這種熔體池在任何給定點(diǎn)只存在幾十微秒，因此通常通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)估計(jì)熔體池內(nèi)的熱歷史，例如Grong等人描述的模型。然而，建模的精度高度依賴(lài)于選擇適當(dāng)?shù)妮斎雲(yún)?shù)和網(wǎng)格。

分層策略

基于零件不同的幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征，分層切片策略也會(huì)發(fā)生變化。如圖18所示，Xu等將已發(fā)表的切片方法分為三大類(lèi):L-PBF和L-DED系統(tǒng)中采用的傳統(tǒng)切片方法(即基本和自適應(yīng)切片方法)、L-DED系統(tǒng)中采用的多向切片方法和無(wú)分層切片方法。在本文中，術(shù)語(yǔ)“無(wú)層明智切片”被替換為“自由方向切片”，以避免爭(zhēng)議，因?yàn)椴考匀皇褂盟^的“無(wú)層明智切片”方法逐層打印(參見(jiàn)圖18)。

圖18 基于LAMed樣本幾何特征的切片方法示意圖。

對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單、無(wú)懸垂、特征精細(xì)的零件，通常采用基于分層的基本切片方法，將CAD模型沿預(yù)定的方向進(jìn)行平行切片。但是，基本的切片方法會(huì)生成具有階梯狀特征的表面，導(dǎo)致表面光潔度較差，特別是對(duì)于曲面高度彎曲的零件。LAM零件上的階梯狀特征被稱(chēng)為“階梯效應(yīng)”，該效應(yīng)通過(guò)層厚和表面傾角來(lái)量化。與基本切片方法中采用的等層厚度方法不同，自適應(yīng)切片方法考慮CAD模型沿建造方向的幾何形狀，隨層厚度變化，以減少樓梯效應(yīng)，提高表面光潔度，減少建造時(shí)間。

通過(guò)對(duì)L-PBF系統(tǒng)中粉床厚度和L-DED過(guò)程中噴嘴尖端高度等加工變量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)切片策略。這種策略雖然可以降低樓梯效應(yīng)，但無(wú)法處理具有懸垂特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)，不可避免地需要支撐結(jié)構(gòu)，這既費(fèi)時(shí)又耗材料。作為一種替代方案，針對(duì)相對(duì)復(fù)雜的形狀，提出了多方向切片，目的是緩解樓梯效應(yīng)，去除支撐結(jié)構(gòu)。多方向方法沒(méi)有采用單向并行切片策略，而是相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)分支結(jié)構(gòu)的切片方向(如圖18中的0°和90°)。然而，當(dāng)旋轉(zhuǎn)具有分支結(jié)構(gòu)的樣本的方向時(shí)，可能會(huì)發(fā)生碰撞。此外，多方向切片法仍不能消除階梯效應(yīng)。此外，對(duì)于有內(nèi)腔的復(fù)雜零件，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜，計(jì)算起來(lái)也很昂貴。

為了克服上述問(wèn)題，Ruan等人和Wang等人提出了L-DED系統(tǒng)的幾種自由方向切片方法。這些方法涉及非平行和可變的分層方向，從而導(dǎo)致分層厚度不均勻。從理論上講，自由方向切片方法可以解決無(wú)限方向維度復(fù)雜性問(wèn)題，并能較好地逼近無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲面。然而，自由方向切片方法的應(yīng)用提出了更高的要求，包括解析模型、層厚控制系統(tǒng)和多軸機(jī)器人設(shè)備。到目前為止，自由方向切片方法在LAM過(guò)程中的應(yīng)用報(bào)道較少，需要做更多的研究。

(a) - (b): XY (build)平面上形狀相似;(c) - (d):對(duì)應(yīng)的XZ(profile)平面圖顯示不同的熔體池深度。

Raghavan等人將實(shí)時(shí)熔池溫度與亞表面溫度、冷卻速度以及通過(guò)DLD制備的Ti-6Al-4V零件的后加工機(jī)械性能聯(lián)系起來(lái)。采用焊接模型來(lái)逼近LENS過(guò)程，并建立傳熱和液態(tài)金屬流動(dòng)模型來(lái)計(jì)算Ti-6Al-4V合金激光加工過(guò)程中的熔體池形狀和熱循環(huán)。結(jié)果表明，對(duì)于LBAM需要一種更全面的控制方法，因?yàn)閮H基于保持目標(biāo)頂面幾何形狀的反饋控制可能會(huì)受到限制。結(jié)果表明，僅監(jiān)測(cè)/控制熔體熔池表面積不足以生產(chǎn)出目標(biāo)零件的質(zhì)量。

這主要是因?yàn)轫斆嫒垠w幾何形狀的監(jiān)測(cè)并不能提供足夠的信息來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體池深度。盡管頂面輪廓相似，但整個(gè)池的幾何形狀可以有很大的變化，如上圖所示。此外，由于峰值溫度與熔體池幾何形狀之間的明顯相關(guān)性并不明顯，僅基于熔體池頂表面溫度廓線(xiàn)的熱成像可能難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。Raghavan等人還證明，隨著零件本體溫度的增加，以及通過(guò)修改激光功率來(lái)控制熔體池形狀，可以觀(guān)察到局部凝固的變化——這表明在利用熔體池空中形狀/激光控制顯微組織方面存在缺陷。

由于高幾何復(fù)雜性零件的LAM加工尚未商業(yè)化推廣，與其他參數(shù)(如激光功率和掃描速度)相比，切片策略的研究相對(duì)有限，特別是對(duì)顯微組織和機(jī)械性能的研究。考慮到層厚的變化直接影響整體能量輸入，與切片策略相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題是微觀(guān)組織的均勻性，從而影響機(jī)械性能。因此，在改變切片策略時(shí)，可能需要相應(yīng)地調(diào)整激光功率、掃描速度等其他加工參數(shù)，以保持能量輸入的一致性，從而保持整個(gè)零件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)均勻性。從這方面來(lái)看，要想在工業(yè)上吸納高鐵，就必須在這方面進(jìn)行更全面的調(diào)查。

樣本幾何

LAM生產(chǎn)的鋼件質(zhì)量與工藝參數(shù)密切相關(guān)。因此，可以認(rèn)為，如果使用相同的加工參數(shù)和相同的LAM機(jī)器，可以生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定一致的零件。然而，一些復(fù)雜幾何形狀的零件在不同的截面內(nèi)會(huì)經(jīng)歷不同的熱演化過(guò)程，導(dǎo)致零件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能不均勻(如晶粒形態(tài)、織構(gòu)、相組成、孔隙率、殘余應(yīng)力等)。因此，建筑幾何形狀(如不同形狀、大小和位置)對(duì)LAM生產(chǎn)的鋼構(gòu)件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響是另一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

為了研究和理解幾何形狀對(duì)LAM零件的影響，使用L-PBF制作了不同厚度和傾角的316L薄壁結(jié)構(gòu)(圖19)。Leicht等人和Alsalla等人報(bào)道稱(chēng)，薄壁厚度或構(gòu)建取向與孔隙/缺陷的發(fā)生似乎沒(méi)有相關(guān)性。雖然沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道薄壁厚度和建筑朝向?qū)θ垠w池幾何形狀的影響，但考慮到熔體池的形狀主要由系統(tǒng)中輸入的能量控制，可以忽略這種影響。從微觀(guān)結(jié)構(gòu)上看，如圖19(a)所示，較薄的試樣(

圖19 EBSD方位圖在L-PBF搭建的316L薄壁樣品的搭建方向上，不同厚度(a)和傾角(b)。

試樣幾何形狀引起的非均勻性也反映在機(jī)械性能上，尤其是疲勞抗力方面。Shrestha等人研究了L-PBF制備的17-4 PH鋼在不同幾何形狀下的抗疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，與大塊試樣相比，dog-bone幾何形狀的試樣具有更高的孔隙率，因此疲勞強(qiáng)度較低。作者將此歸因于dog-bone標(biāo)本的較高冷卻速率，這使得氣泡逸出的時(shí)間更短。但這需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或模擬來(lái)驗(yàn)證。

雖然在LAM中，樣品幾何形狀的影響很少被報(bào)道，但由于它們?cè)诩庸l件上的相似性，可以從焊接過(guò)程中借鑒相關(guān)知識(shí)。之前的大量研究表明，半徑較小的尖焊縫趾在凝固時(shí)具有較高的冷卻速率。這可能導(dǎo)致不期望的相變(如鋼焊接中的馬氏體相變)和局部殘余應(yīng)力，使焊縫脆性。此外，與光滑斷面相比，銳斷面在加載、開(kāi)裂和降低焊縫疲勞抗力時(shí)存在較大的局部應(yīng)力集中。因此，在激光焊接中，通常可以避免尖銳的過(guò)渡，如尖銳的焊接趾、切邊和重入角。這些幾何特征也應(yīng)通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或建筑物朝向，在LAM過(guò)程中加以控制。

建筑方向

之前的研究表明，即使對(duì)于尺寸和形狀相同的零件，LAM加工鋼的性能也會(huì)隨著不同方向而變化。如圖19所示，與圖19（b）所示的垂直L-PBF構(gòu)建316L樣品中

Yadollahi及其同事研究了建筑方向（垂直和水平方向）對(duì)L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼拉伸和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)垂直構(gòu)建的樣品的伸長(zhǎng)率明顯低于水平構(gòu)建的樣品（見(jiàn)圖20（c））。認(rèn)為垂直于建筑方向（見(jiàn)圖14（d））的平面上形成的層間空洞/孔洞是低延展性的原因，因?yàn)榇祟?lèi)缺陷是拉伸載荷下孔洞生長(zhǎng)和合并的快速路徑。此外，建筑方向也導(dǎo)致相位成分的差異，如圖20（a，b）中的EBSD方向圖所示。盡管兩個(gè)樣品的晶粒尺寸似乎相似，但水平構(gòu)建的樣品具有較高的殘余奧氏體含量(～7%）高于垂直樣本(～3%) 。殘余奧氏體分?jǐn)?shù)的這種差異可被認(rèn)為是兩個(gè)樣品制造過(guò)程中可區(qū)分的熱歷史的結(jié)果，尤其是冷卻速度。垂直建造的樣品比水平建造的樣品具有更高的冷卻速率。此外，建筑朝向?qū)ζ谛阅芤财鹬匾饔谩Ｈ鐖D20（d）所示，由于垂直建造的樣品中存在更多的層間空洞，水平建造的樣品顯示出比垂直建造的樣品更高的疲勞強(qiáng)度。

圖20 （a）垂直和（b）水平-L- PBF構(gòu)建17-4PH不銹鋼樣品中間區(qū)域中選定區(qū)域的EBSD和相位圖；（c） L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼在不同條件下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；（d） L-PBF制造的17-4 PH不銹鋼在不同條件下的S-N曲線(xiàn)。

有趣的是，建筑朝向的效果因材料而異。與17-4 PH不銹鋼不同，垂直構(gòu)建的L-DED預(yù)制304L和316L不銹鋼的強(qiáng)度較低，但延伸率遠(yuǎn)高于水平構(gòu)建的樣品。Griffith及其同事認(rèn)為，這與可能引發(fā)斷裂的缺陷有關(guān)。然而，根據(jù)斷口分析，未在層界面處觀(guān)察到斷裂萌生。據(jù)作者所知，各向異性拉伸行為很可能與通過(guò)外延生長(zhǎng)沿建筑方向形成的細(xì)長(zhǎng)柱狀晶粒有關(guān)，從而最小化了層間邊界。當(dāng)加載方向與建筑方向垂直時(shí)，位錯(cuò)滑移沿橫向拉伸方向發(fā)生，并在晶界附近堆積。由于沿構(gòu)建方向的晶粒拉長(zhǎng)，沿橫向的晶界密度遠(yuǎn)高于沿構(gòu)建方向的晶界密度，從而導(dǎo)致更高的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，從而在水平構(gòu)建的樣品中獲得更高的強(qiáng)度和更低的延展性。

保護(hù)氣體

以往激光切割和激光焊接的研究表明，加工氣氛對(duì)樣品質(zhì)量具有重要作用。Song等人最近的一項(xiàng)研究研究了保護(hù)氣體(空氣、Ar和N2)對(duì)用L-DED制作的420不銹鋼熔體熔池幾何形狀的影響。如圖5(a,b)所示，保護(hù)氣體對(duì)熔池幾何形狀有顯著影響，但這種影響對(duì)工藝參數(shù)不敏感。在氬氣和氮?dú)鈿夥障轮苽涞臉悠肪哂邢嗨频娜垠w池幾何形狀，而在空氣中制備的樣品顯著增加了熔體池的寬度和高度。這是由于L-DED在空氣中的劇烈放熱氧化，增加了粉末吸收的有效能量。這種氧化過(guò)程也消耗了鋼內(nèi)的溶質(zhì)元素(如C和Cr)，降低了幾何精度。

此外，控制保護(hù)氣體成分似乎是另一種有效的方法來(lái)調(diào)整LAM加工鋼形成的組織。如Rafi等報(bào)道，保護(hù)氣體對(duì)17-4PH鋼組織的影響與粉末原料的使用密切相關(guān)。對(duì)于氬氣霧化法制備的粉末，無(wú)論保護(hù)氣體(Ar或N2)是氬氣還是氬氣，均可在試樣中獲得馬氏體組織。而對(duì)于17-4PH鋼，N2氣氛比Ar氣氛顯著提高了奧氏體的含量。此外，納米顆粒在18Ni-300鋼基體中隨機(jī)分布，形成core–shell結(jié)構(gòu)，core中為氧化鋁，shell中為氮化鈦(TiN)。Shamsdini和同事認(rèn)為，通過(guò)Marangoni效應(yīng)，被捕獲的氮形成了被Al2O3殼包圍的球形TiN。這說(shuō)明LAM過(guò)程中的氣(如氬氣或氮?dú)?對(duì)馬氏體時(shí)效鋼的二次相和性能有顯著的影響，特別是那些含有化學(xué)活性Ti的馬氏體時(shí)效鋼。

加工參數(shù)的交互作用

流程映射

本文綜述了各工藝參數(shù)對(duì)激光焊接鋼幾何精度、顯微組織和機(jī)械性能的影響。然而，在大多數(shù)情況下，它們的影響是相互影響的。因此，開(kāi)發(fā)了各種工藝圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明和理解不同參數(shù)的綜合影響，特別是激光功率和掃描速度。根據(jù)輸出變量，當(dāng)前可用的LAM流程圖可以分為三組。它們是熱圖(如冷卻速率和熱梯度)、缺陷圖(如孔隙度)和幾何圖(如熔池大小和單軌形態(tài))。在這三組中，熱和熔體池大小過(guò)程圖通常是基于解析和數(shù)值結(jié)果創(chuàng)建的，這已經(jīng)由Shamsaei等人審查和評(píng)估。一個(gè)典型的熔體池尺寸過(guò)程圖可以展示熔體池長(zhǎng)度如何受基板歸一化高度和熔體溫度的影響;而熱過(guò)程圖顯示了歸一化熔體溫度和熔體池內(nèi)相對(duì)深度對(duì)冷卻速率/熱梯度的影響。根據(jù)Shamsaei等人的研究，雖然從地圖上的預(yù)測(cè)提供了大規(guī)模L-DED過(guò)程中最優(yōu)工藝參數(shù)的可能范圍，但由于模型外推的誤差，仍然存在不準(zhǔn)確性。此外，大多數(shù)基于模擬的熱或熔體池尺寸過(guò)程圖尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)樵贚AM過(guò)程中難以測(cè)量熔體池的冷卻速率和熱梯度。因此，在本節(jié)中，重點(diǎn)是直接從實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的過(guò)程圖，其中加工參數(shù)被用作輸入變量。

圖21(a - d)為L(zhǎng)-DED和L-PBF過(guò)程圖，顯示了激光功率和掃描速度對(duì)粉末熔化效率和熔池缺陷或316L不銹鋼單軌缺陷的綜合影響。在圖21(a)中，四個(gè)區(qū)域代表了使用L-DED搭建316L單軌時(shí)不同的粉末熔化行為。在區(qū)域I內(nèi)，激光由于能量輸入過(guò)多而導(dǎo)致等離子體的形成，從而不會(huì)發(fā)生熔化。在第二區(qū)域，由于能量輸入不足，金屬粉末只有部分熔化。區(qū)域III對(duì)應(yīng)于不完全熔化和球化。區(qū)域IV表示激光功率和掃描速度的適當(dāng)組合，導(dǎo)致粉末完全熔化。此工藝圖是316L不銹鋼最早的工藝圖之一。因此，需要驗(yàn)證其重現(xiàn)性。值得注意的是，與L-PBF相比，L-DED預(yù)制鋼的加工圖有限。然而，考慮到L-DED和L-PBF在熔體熔池中形成的緊密的物理冶金，這兩種方法的缺陷隨工藝參數(shù)的演變趨勢(shì)相似。

圖21 (a) L-DED 316L鋼，(b) L-PBF建造316L鋼，(c) L-PBF建造314L鋼，(d) L-PBF建造316L鋼，(f) L-PBF建造超高強(qiáng)度鋼;(e)不同激光功率和掃描速度下L-PBF制備的17-4 PH鋼的孔隙度過(guò)程擬合圖。

使用L-PBF制造不銹鋼單軌的工藝圖如圖21(b-d)所示。這些地圖取自不同的參考文獻(xiàn)。從圖21(b,c)可以看出，較高的激光功率和較慢的掃描速度更容易產(chǎn)生連續(xù)的全密度跡線(xiàn)，如圖21(b)中的區(qū)域IV和圖21(c)中的區(qū)域b所示。低激光功率與高掃描速度相結(jié)合，可以導(dǎo)致無(wú)熔體或高孔隙率的部分熔體。在高功率和高速條件下，單齒或離散或成球。低功率和低速度相結(jié)合，意味著沒(méi)有熔化或部分熔化。然而，Yadroitsev和同事的結(jié)果]如圖21(d)所示，表明即使在低得多的激光功率下，在特定的掃描速度范圍內(nèi)也可以形成連續(xù)而密集的軌跡。這種不一致可能歸因于所使用的機(jī)器的不同，這與處理參數(shù)的不同設(shè)置有關(guān)。此外，工藝圖也因材料而異。從圖21(b,c)所示的L-PBF工藝圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率超過(guò)175W左右時(shí)，產(chǎn)生了全密316L的軌跡，而生產(chǎn)314L鋼單軌所需的最小值為40 W左右。這一結(jié)果意味著需要為單個(gè)合金建立工藝圖。

為了研究激光功率(P)和掃描速度(V)在LAM過(guò)程中對(duì)孔隙度鋼的聯(lián)合影響，Tapia和同事開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于空間統(tǒng)計(jì)的框架來(lái)預(yù)測(cè)L-PBF制備的17-4PH鋼的孔隙度，以盡量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。如圖21(e)所示，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用基于高斯過(guò)程的預(yù)測(cè)模型擬合出不同功率-速度組合下的孔隙度過(guò)程圖。從圖21(e)中可以識(shí)別出導(dǎo)致低孔隙度為0.325%的最佳加工參數(shù)。P = 50 W, V = 275 mm s-1。不幸的是，這種最優(yōu)功率-轉(zhuǎn)速組合可能不適用于316L不銹鋼和超高強(qiáng)度鋼(AF9628)，因?yàn)楦鶕?jù)圖21(d,f)所示的工藝圖，如果使用這些參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)單軌不連續(xù)和熔合不足的情況。

此外，如前文所述，改變工藝參數(shù)不僅控制了缺陷類(lèi)型和分?jǐn)?shù)，還影響了形成的顯微組織和相組成，協(xié)同影響了LAM加工鋼的機(jī)械性能。因此，在過(guò)程圖中包含這些特征將是卓有成效的，它可以提供更全面的指導(dǎo)，以最大限度地提高樣品質(zhì)量。這可以參考Dye等人之前的工作，在該工作中，IN718合金的可焊性圖是通過(guò)考慮缺陷形成和顯微組織特征的精確數(shù)值模擬來(lái)開(kāi)發(fā)的。

來(lái)源：Laser additive manufacturing of steels，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351

參考文獻(xiàn)：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.