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长三角G60激光联盟导读
这篇综述主要解释了LPBF工艺的基本原理、几个相互关联参数的科学和技术进展、原料材料、生产性能/缺陷 ， 以及数值模拟的见解 ， 以虚拟地理解工艺行为 。 本文为第一部分 。
摘要
增材制造（AM）在多个方面彻底改变了制造业 。 激光粉末床熔化（LPBF）是一种粉末床熔化AM工艺 ， 由于其对多种材料（包括合金）的多功能性 ， 已被广泛接受 。 这篇综述主要解释了LPBF工艺的基本原理、几个相互关联参数的科学和技术进展、原料材料、生产性能/缺陷 ， 以及数值模拟的见解 ， 以虚拟地理解工艺行为 。 特别关注选择性激光计量（LPBFed）性能 ， 通过微观结构形成驱动 ， 从而关注缺陷 。 本文还讨论了细化微观结构的后处理技术的范围 。 已确定缺陷在LPBF工艺中至关重要 ， 主要受工艺参数控制 。 因此 ， 明智地选择、优化的一组参数可以在显著减少缺陷方面发挥关键作用 。 最后 ， 本文中讨论的数值模拟将有助于研究人员理解LPBF过程 。
1.介绍
增材制造（AM） ， 俗称3D打印 ， 已经使制造业从开发概念到生产最终功能部件发生了革命性的变化 。 它也在推动下一代创新和工程 。 AM对许多行业产生了显著的影响 ， 因为它使高度复杂和薄壁零件的制造具有成本效益 。 AM的持续增长引发了对新制造方法的需求 ， 这增加了对加工可靠性的需求 ， 包括基于几何、功能和物理特性的预期用途所需的特定于应用的优化设计 。 工艺的设计能力通常由计算机软件组成 ， 允许设计者预测每个部件的性能和处理能力 ， 提高设计效率并降低生产成本 。 AM工艺在计算机辅助设计（CAD）模型的指导下 ， 通过逐步添加薄层材料来制备三维（3D）零件 。 它允许直接从设计或模型中制造定制或复杂的形状 ， 而无需使用任何昂贵的工具 ， 如模具或冲头 ， 并消除了对许多常规方法和步骤的需要 ， 如更换工具 。
采用300?W激光功率和15?mm/s扫描速度在IN 718衬底上沉积(a) 1层和(b) 10层IN 718粉末时的温度分布 。 激光束扫描方向沿正x轴(c)第十层熔池形状和尺寸和(d)表面张力梯度驱动熔池内金属液循环 。
与传统的制造方法不同 ， 复杂的零件（如圆孔或直切口）可以在一个步骤中轻松制造 。 此外 ， AM工艺可以减少大量零件 ， 因为不需要任何组件 ， 因为零件是一次性制造的 。 鉴于上述优点 ， AM在航空航天、能源、汽车和医疗行业中被广泛使用和首选 ， 以设计和生产高性能零件 。 与传统方法相比 ， AM工艺最突出的优点是其生产复杂零件的能力 。 它通过消除传统的制造工艺（如铸造、锻造或挤压） ， 直接从原料材料中成形 。 由于其近净成形能力 ， 废物最小化也是AM的最大优势之一 。 此外 ， 未使用的原料可在AM中重复使用 ， 使其在原料材料上具有灵活性 ， 并具有成本效益 。 图1为AM生产部件的几个示例 。
图1 （a）使用EBM生成的3D Ti6Al4V网格 ， （b）由LPBF生成的部分 ， （c）由EBM生成的零件 ， （d）由EBM生成的晶格结构 ， （e）由DED生成的Ti叶片 ， （f）由LPF生成的多孔样品 。
目前 ， AM的主要障碍是需要完全理解加工参数与最终零件性能以及材料性能之间的关系 。 由于打印过程中涉及复杂的热循环 ， 主要是金属零件的性能变化程度非常高 。 然而 ， AM和常规生产零件的性能（如残余应力、各向异性和缺陷）几乎没有冶金差异 。 这些特性仅限于AM ， 需要针对航空航天应用等高性能要求进行处理 ， 主要是暴露于高温疲劳的部件 。
基于致密金属零件的制造 ， 通常使用基于粉末床的方法 ， 如LPBF（激光粉末床熔合）、EBM（电子束加工）和DED（定向能量沉积） 。 所有这些过程都涉及进料粉末与产生熔池的激光或电子束的相互作用 ， 导致快速熔化和凝固 。 由于短时间的相互作用和热输入高度集中在一个小区域内 ， 观察到高温度梯度和大冷却速率 。 由于不可避免的缺陷 ， 零件的机械和疲劳性能将进一步恶化 。 最终零件的机械性能用于确定AM是否可以被接受 ， 以替代传统的关于所生产零件的服务质量和耐久性的方法 。 因此 ， 为了进行质量评估 ， 有必要比较AM制造部件和常规制造部件的实际要求和性能 。 其他AM方法包括BJG（粘合剂喷射）和透镜（激光工程网成形） 。 在透镜中 ， 金属粉末被注入到由高强度激光束形成的熔池中 ， 以产生零件 。
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