長三角G60雷射聯盟導讀
本文對AM合金中結構-性能相關性的當前理解進行了全面回顧。本文為第二部分。
4、流程相關屬性
AM合金中與工藝相關的屬性由廣泛的工藝參數和物理現象控制，包括雷射曝光策略、粉末質量和進料系統、BJP情況下的粘合劑性能以及構建平台溫度。此外，零件設計、定位和支撐結構會影響最終產品的質量，包括缺陷（例如鍵孔和未熔合）、殘餘應力和表面光潔度。除了微觀結構外，這些屬性還可以顯著影響材料的機械性能，尤其是在零件的使用疲勞性能方面。在本節中，我們總結了幾個AM系統中常見的流程相關屬性。
4.1. 缺陷
ASTM E3166將缺陷描述為氣孔、缺乏熔合(LOF)不連續、啟停錯誤、夾雜、層移位、材料熔合不足/過熔。這些缺陷通常導緻密度的損失，然而，它們也可能以裂紋的形式出現。當使用最優工藝參數組合時，當前的AM技術可以輕鬆實現高達99.9%的密度。在BJP中，零件的最終密度直接依賴於綠色階段的填充密度，由於粉末質量和燒結工藝導致了氣孔。值得注意的是，密度和收縮之間存在妥協。當高度緻密的零件必不可少時，使用更高的溫度和更長的燒結時間，這就允許接近完全緻密的零件，但具有更高的尺寸收縮。
許多研究旨在優化工藝參數，如熱源特性、暴露策略、層厚和零件取向，以獲得最大可能的密度和最小的缺陷尺寸。粉末材料的能量輸入和熔化之間存在著複雜的平衡;能量不足導致粉末的部分熔化，導致形成「缺乏熔合(LOF)」和「未熔粉顆粒」類型的缺陷。相反，過多的能量輸入會導致熔池不穩定，導致飛濺和蒸發，從而形成氣夾和鑰匙孔型缺陷。非最優參數也會導致軌跡不連續、線間冶金結合弱和分層。
在循環荷載條件下，缺陷作為裂紋萌生點，因此對疲勞壽命產生不利影響。缺陷直徑（尺寸）、形狀（包括銳半徑和裂紋狀特徵）和位置（包括最近鄰缺陷和到自由表面的距離）起著關鍵作用，而密度作為單一材料參數的使用不足以全面評估缺陷對AM合金疲勞壽命的影響。圖7總結了LB-PBF 316L中觀察到的缺陷形態。描述缺陷屬性的三個關鍵特徵是球度（或圓度）、長寬比和尺寸（直徑）。
圖7 長徑比（AR）與從LB-PBF Ti6Al4V顯微CT結果中收集的缺陷的球形度。
大多數氣體缺陷接近球形，因此具有高球形度和高縱橫比。另一方面，LOF缺陷形狀不規則，邊緣鋒利。它們可能包含未熔化的粉末顆粒，並且通常具有較低的球形度和縱橫比。氣體缺陷的大小通常與熔池大小相關。與EB-PBF和LB-DED相比，LB-PBF通常會產生較小的缺陷。LOF缺陷的大小通常與圖案填充間距的順序相同。LOF缺陷被認為是導致PBF和DED工藝中疲勞失效不良的主要原因。在BJP中，缺陷尺寸明顯較小，且具有高縱橫比。
Kumar和Ramamurty[研究了工藝參數組合對LB-PBF Ti6Al4V中孔隙度分布的影響。重建的顯微CT圖像顯示，缺陷尺寸和分布對所用的工藝參數敏感。當使用90°的掃描旋轉時，觀察到缺陷在構建方向上對齊，但當掃描旋轉67°時，缺陷隨機分布，如圖8a和b所示，即使兩種情況下的體積能量密度相似。如圖8c[所示，通過採用67°的掃描旋轉或通過減少圖案填充間距來確保相鄰熔池之間的更大重疊，可以顯著降低相對較大缺陷的頻率。
圖8層厚（t）=30µm，圖案填充間距（h）=140µm的LB-PBF Ti6Al4V樣品的重建顯微CT圖像俯視圖。
4.2. 表面粗糙度
逐層製造工藝與附著在表面的半熔融顆粒以及亞表面和表面連接缺陷的存在相結合，導致AM合金零件的表面高度粗糙，如圖9所示。表面粗糙度受工藝類型和所用參數、粉末尺寸、層厚度、零件幾何形狀以及表面相對於構建方向的方向的影響。例如，傾斜角度的分層會產生具有「樓梯」形態的表面，其坡度或曲率由每層的位置近似。此外，由於熱源相對於建築平台的方向不同，上下朝向的側面會導致不同的表面形態；與上向側相比，下向側的粗糙度明顯更高。
圖9 （a） LB-PBF Ti6Al4V的SEM圖像。（b） SEM圖像EB-PBF Ti6Al4V。（c）（a）所示樣本的顯微CT掃描。（d） LB-PBF Ti6Al4V的同步輻射顯微層析成像解析度為1.5μm。
通常情況下，DED工藝的表面光潔度最好，EB-PBF最差。例如，Ti6Al4V的平均表面粗糙度（Ra）的報告值為18.5±6.5µm（LB-DED）、35±12.3µm（LB-PBF）和131±45.5µm（EB-PBF）。基於雷射和電子束的工藝使用更細的粉末和層厚度，由於粉末在零件邊緣燒結，這些粉末和層厚度容易「衛星」形成。然而，由於線寬和層高顯著增大，DED技術在使用近淨形狀（即，在加工以提供最終幾何形狀後，接近所需零件幾何形狀的形狀）方面受到限制。
4.3. 殘餘應力
與BJP不同的是，在BJP中，內置零件中的殘餘應力可以忽略不計，PBF和DED工藝受到高殘餘應力的困擾，而由於它們通常在內置零件的一個位置到另一個位置之間發生顯著變化，這加劇了高殘餘應力。這些應力可能會導致現場開裂、分層、零件翹曲和潛在的建造失敗。如此高的殘餘應力是這些過程固有的局部熱輸入和快速冷卻的結果。局部區域在被高能束快速加熱時的膨脹受到鄰近材料的抑制，這通常會導致壓縮塑性應變。隨後熔融合金的快速冷卻和相關收縮導致高拉伸應力。
在DED 316L中使用中子衍射進行的測量表明，殘餘應力約為合金屈服強度的50–80%。LB-PBF Ti6Al4V和Inconel 718中報告了類似的值。這些應力沿構建方向（Z）最大，在零件中心受壓，在外部自由表面拉伸，並且更集中在構建平台界面附近。
殘餘應力的大小隨著掃描線長度的增加而增加。考慮到這一點，減少製造過程中應力累積的最常見方法是實施掃描策略，將層劃分為較小的「島」或「條」，從而減少最長的不間斷行程。PBF系統主要通過在每一層之後旋轉熱源的掃描方向來處理應力積聚。層高度也直接影響應力分布；與較厚的層相比，較細的層導致更高的應力梯度。
高殘餘應力的影響在製造和使用過程中都會造成問題。在鎳基高溫合金和鎢等硬質金屬中，經常觀察到沿熔池路徑形成的小裂紋，見圖10。據報導，較大零件中顯著拉伸應力的累積會導致製造過程中支撐結構或構建平台的分層。由於零件變形，尺寸公差也受到顯著影響。殘餘應力可以在疲勞期間作為額外的裂紋驅動力，從而促進裂紋萌生和擴展。
圖10 LB-PBF鎢中的裂紋網絡。圖中顯示了兩種導致不同熔池尺寸的雷射曝光策略：（a）中較淺，但（b）中較深。黑色箭頭表示橫向裂紋。
4.4. 改善過程相關屬性的後處理處理
製造後，需要幾個步驟才能將AM部件轉變為最終用途部件。通常，去除多餘的粉末，從構建平台上切割零件，並加工出支撐結構。可採用額外的後處理來改善與工藝相關的屬性，包括熱處理以改善微觀結構和/或緩解殘餘應力，熱等靜壓（HIP）以減少孔隙度，以及某種形式的表面精加工以實現所需的表面光潔度和形位公差。
在熱等靜壓處理的雷射PBF Ti-6Al-4V中，遠離缺陷和試樣表面的兩個位置的EBSD相位取向圖。
熱處理通常用於AM Ti6Al4V、SS、鎳基高溫合金和鋁合金。SR熱處理涉及恢復。LB-PBF和DED零件通常在從構建平台上切割之前進行應力消除，以限制與幾何公差要求的偏差。高溫退火通常會導致晶粒生長、晶粒取向的變化，並可促進更等軸微觀結構的形成。這通常伴隨著強度降低、延展性增加和各向異性降低。然而，高溫熱處理並不能提高密度和表面光潔度。
熱等靜壓是一種普遍推薦的工藝，用於減少使用AM製造的零件中的孔隙。例如，已經證明可以閉合LB-PBF鎳基高溫合金和Ti6Al4V中的內部缺陷和裂紋。此外，它可以消除殘餘應力。如果含有氣體的缺陷沒有完全閉合，後續熱處理可以重新打開它們。對LB-PBF Ti6Al4V的研究表明，雖然內部缺陷在EDE節期間閉合，但表面和近表面缺陷仍不受影響。在某些情況下，熱等靜壓可能通過顯著的晶粒生長顯著改變AM零件的晶粒結構。
熱等靜壓處理的雷射PBF Ti-6Al-4V中缺陷附近的EBSD相位方向圖。
提高AM零件表面光潔度的最常用方法是使用標準工藝（如銑削和車削）進行加工。由於AM允許的幾何複雜性，CNC過程通常是必要的，主要與近淨形狀過程（如DED）結合使用。然而，AM提供的幾何自由需要未定義的幾何過程。據報導，有助於提高表面光潔度的技術包括振動研磨、化學拋光、電拋光、表面機械磨損處理（SMAT）和超聲波納米晶表面改性（UNSF），以及簡單的旋轉工具拋光或使用砂帶磨光機研磨（用於平面）。Bezuidenhout等人表明，HF-HNO3可以將LB-PBF Ti6Al4V的表面粗糙度降低高達90%，如圖11所示。然而，這些過程可能很難控制，並且並不總是滿足高質量零件所需的標準。噴丸處理也被推薦為一種表面處理技術。雖然不一定能顯著改善表面光潔度，但材料表面的機械加工會產生壓縮殘餘應力。
圖11 化學蝕刻LB-PBF Ti6Al4V（a）AB表面（AB）後的表面光潔度，以及化學蝕刻（b–d）不同摩爾（M）溶液濃度後的表面光潔度。
5、拉伸性能
AM合金的准靜態拉伸性能主要由其中的微觀結構控制，而孔隙度、表面粗糙度和殘餘應力的作用不太顯著（除非其水平太大，或拉伸延展性低）。如第3節所述，直接製造方法的微觀結構良好，存在凝固胞狀結構；與傳統生產的微觀結構相比，這種精細（有時是亞穩）的微觀結構具有較高的靜態強度和較低的延展性。在許多AM合金中，發現屈服強度（YS）符合Hall-Petch關係，這意味著更精細的微觀結構特徵是觀察到高屈服強度的原因。另一方面，使用BJP製造的合金的性能與傳統生產的類似。
AM合金的拉伸性能，如YS、極限抗拉強度（UTS）和斷裂伸長率（EF）通常是各向異性的，YS和UTS在構建方向（Z）上更優越。EF中的各向異性通常最為明顯，在垂直於構建方向（X和Y）的方向上具有較高的值。這種行為歸因於明顯的細觀結構，在某些情況下還歸因於晶體結構。在某些情況下，優化的工藝參數可以通過將更多的等軸微觀結構賦予製造零件來減少各向異性，如下文所述。
然而，在大多數情況下，需要進行後處理熱處理以改善准靜態拉伸性能。這種處理通常會降低強度，但增加延展性；在大多數情況下，產生的強度-延性組合仍然符合標準化要求，例如，在Ti6Al4V中。熱處理通常會降低各向異性。然而，由於AM合金固有的細觀結構，通常仍存在一定程度的各向異性。以下總結了使用AM技術生產的特定合金系統拉伸性能的不同特徵。
5.1. 鈦合金
表1概述了AM Ti6Al4V的選定拉伸性能。為了便於比較，還列出了鍛造Ti6Al4V的性能。從中可以看出，雖然AM合金可以達到甚至超過ASTM規範的YS和UTS，但EF通常較低。
表1 通過不同AM工藝和熱處理條件生產的Ti6Al4V的拉伸性能。
Xu等人報告說，通過仔細調整LB-PBF參數，如層厚度和體積能量，可以通過α'原位分解的方式控制成型過程中的溫度循環，從而形成更有利的高強度-高延性組合。LB-DED合金具有較低的YS和UTS(∼ 960和∼1100 MPa），由於冷卻速率較低，EF在10%到18%之間。EB-PBF工藝產生的合金的YS和UTS甚至更低(∼ 880和∼ 960 MPa），但由於在此過程中使用了加熱構建平台，EF提高了9%到16%。
與LB-PBF相比，使用LB-DED和EB-PBF工藝生產的AB零件的延展性更好，因為其具有粗化和層狀α結構（在β基體中）。這是由於EB-PBF中構建平台的加熱和LB-DED中相對較慢的冷卻速度導致的原位回火。然而，Choi等人報告的延展性低至2.7%，這可能是由於LB-DED中的氧污染，因為難以控制該過程中的環境條件。眾所周知，鈦吸氧是提高其強度和降低延展性的重要因素。因此，即使化學成分的這種變化很小，也可以使所報告的性質中觀察到的差異合理化。這在採用構建平台加熱的LB-PBF過程中很明顯。
Ta0°俯視圖的LOM和EBSD圖像。（a） LOM圖像，顯示EBSD逆極圖圖像（b）和（c）的位置。（d）（c）的點到點圖像質量和方向錯誤區域之間的旋轉角度（頂部）。
在使用本綜述中考慮的AM技術加工的所有合金中，拉伸性能的各向異性（不同程度）都存在。各向異性在EF中最為顯著。例如，通常在水平方向觀察到較低的EF（即，在X或Y方向加載的試樣）。這歸因於Ti6Al4V中的柱狀PBG結構或細長晶粒形態。粉末層厚度和填充策略的適當組合可以產生更等軸的PBG結構，從而減少各向異性並提高延展性。AB Ti6Al4V的失效模式主要為晶間，Kumar等人報告了脆性小平面和韌性撕裂斷裂模式。最近，Ter Haar和Becker認為LB-PBF合金中的各向異性是由占主導地位的α'微觀織構引起的。他們使用EBSD和斷口分析進行的研究表明，α'板條優先沿著最大剪應力軌跡剪切，塑性流動位於PBG內。占主導地位的∼ 因此，柱狀PBG結構內的45°習慣面控制各向異性，因此ZX平面內的PBG具有更大的微紋理區域，促進滑動，從而提高延展性。
熱處理導致細α'或α在β基體中轉變為粗化和層狀α，以形成類似於通過EB-PBF工藝或傳統製造路線獲得的α+β結構。這些微觀結構變化導致YS（和UTS）減少，EF改善。然而，高溫下的顯著晶粒生長可以將YS降低到715 MPa，這遠低於鍛造合金。在適當的熱處理後，LB-PBF和EB-PBF之間可以實現類似的YS和UTS值。然而，LB-PBF Ti6Al4V的延展性通常低於鍛造和鑄造合金。在LB-PBF-Ti6Al4V中，通過雙重熱處理可以獲得由等軸初生α相和層狀二次α+β結構組成的雙峰組織；該合金的EF顯著提高至16–20%。
來源：Fracture and fatigue in additively manufactured metals, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240
參考文獻：D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe, Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms,Int. Mater. Rev., 57 (2012), pp. 133-164, 10.1179/1743280411Y.0000000014
長三角G60雷射聯盟陳長軍原創作品！