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激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）


激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）


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激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）


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激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）


江苏激光联盟导读
本文综述了多材料L-PBF的最新进展 ， 包括多材料粉末沉积机理、熔池行为、印刷金属-金属、金属-陶瓷和金属-聚合物多材料组分的工艺特点以及潜在的应用 。 本文为第三部分 。
5.1.2. LME

LME缺陷本质上是一种应力腐蚀开裂 ， 可用Galvele的原子表面迁移率（ASM）模型描述 ， 如图7所示 。 根据该模型 ， 裂纹通过金属和离子从裂纹尖端扩散到裂纹壁表面而扩展 。 Fredriksson、Hansson和Olsson（2001）提出了Fe–Cu系统中LME诱导裂纹的形成机制 。 在激光熔炼过程中 ， 液态铜扩散到铁颗粒中 ， 产生了柯肯德尔效应 。 这导致空位扩散到其凝结的晶界 ， 形成晶界裂纹 ， 并填充液化的Cu 。 空位的凝聚和表面/界面自由能的变化提供了液态铜元素穿透铁晶界的驱动力 。 LME出现的两个先决条件如下：固体和液体金属之间的相容性低 ， 固体和液体偶之间不存在金属间相（旧1980） 。 与铁素体不锈钢和镍合金不同 ， 奥氏体不锈钢（如316L）在遇到液化铜合金时特别容易发生此类裂纹 。 Huang等人（2019）报告说 ， 只要基底金属温度高于铜的熔点 ， LME诱发的裂纹就会继续扩展 。
图7 ASM模型（Galvele 1987） 。
5.1.3. 未熔合和元素分离
为了形成3D组件 ， L-PBF利用激光束提供的热量逐点、逐线、逐层熔化粉末颗粒 。
如果激光能量密度不足 ， 则相邻熔池的宽度或深度可能不够 ， 从而导致熔池重叠不足 。 此外 ， 如图8-a所示 ， 由于未熔合而产生的缺陷 ， 包括气孔和未熔融颗粒 ， 可能出现在粉末床的固液界面接合处 。 L-PBF的粉末颗粒直径范围通常为15–45μm（高斯分布 ， 平均直径约为20μm） ， 粉末床层厚度通常超过30μm 。 因此 ， 粉末层可以堆叠许多直径小于粉末层厚度的粉末颗粒 ， 如图8-b1所示 。 粉末颗粒之间的多次散射（图8-b1和b2）可导致粉末的激光吸收率超过扁平固体块体金属的激光吸收率 。 然而 ， 大多数激光能量被顶层粉末吸收 ， 其次是亚表层粉末 。 只有大约1%的能量被基底/预熔粉末层颗粒吸收 。 在多材料L-PBF工艺中 ， 同一层中的表面和亚表面粉末可能由不同的材料组成 。 它们的熔点和激光吸收率的差异很容易导致因未熔合而导致的缺陷 。

图8 a）未熔合缺陷示意图 ， b1）理想粉末颗粒阵列辐照期间的典型射线 ， b2）粉末颗粒之间的多次散射 。
两种材料熔点之间的巨大差异导致熔点较低的材料在熔化过程中蒸发 。 相比之下 ， 熔点高的材料熔化不足 。 这可能导致缺陷 ， 如元素偏析、气孔和粉末不溶性 ， 最终会降低加工零件的机械性能 。 可通过均化热处理减少元素偏析 。 此外 ， 在中等范围和高扫描速度下同时使用激光功率可以抑制低熔点金属元素的蒸发 ， 并减少偏析 。 研究人员试图通过优化激光加工参数、孵化距离和激光功率、优化扫描策略以及使用top-hat激光轮廓来减少因未熔合而导致的缺陷 。 如果两种材料的熔点相似 ， 则上述措施适用于抑制因未熔合而产生的缺陷 。 然而 ， 如果其熔点之间的差异非常大 ， 则上述策略的有效性可能会受到限制 。
L-PBF印刷零件的表面粗糙度通常比传统加工产生的粗糙度差 。 因此 ， 研究人员试图通过优化加工参数和模拟来改善L-PBF零件的表面质量 。 对于多种材料 ， 材料界面处的不良表面质量可能是一个优势 ， 因为它可以增加两种材料之间的接触面积 ， 从而提高其冶金结合强度 。 熔池中Marangoni对流引起的循环流将两种材料彻底混合 ， 导致陶瓷钢中出现锯齿状互锁微观结构 。
使用元素Al+Si12粉末ASLM工艺生产的无支撑悬挑组件 。
各种粉末混合物元素密度和液体粘度的巨大差异也可能导致元素分离（包括元素富集区的分离和扩散不足） 。 材料质量密度较高的元素沉入熔池底部 ， 并在熔池边界附近聚集 。 在FGM设计中 ， 高密度和低密度材料应分别放置在底部和顶部 。 平滑的材料梯度过渡也抑制了成分偏析 。 热处理可以微调相分布和转变 ， 释放内应力 ， 从而改善力学性能 。 为了避免元素偏析 ， 使用L-PBF原位合金化可能是一种替代解决方案 。 该方法使用激光束直接从元素粉末混合物中熔化并形成合金 。 它为新材料的研究提供了灵活性 ， 并产生了高通量生产率 ， 如颗粒增强金属基复合材料、高熵合金和金属间化合物 。 与预合金粉末相比 ， 粉末混合法具有元素组成灵活、粉末粒度可控性高、成本低、时效性好等优点 。 尽管有这些明显的优势 ， L-PBF原位合金化方法也有缺点 ， 例如重复性差、粉末未熔化以及试样中的高度不均匀区域 。 L-PBF处理的微观结构的均匀性主要取决于混合粉末的粒度和混合方法 。

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