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长三角G60激光联盟导读
据悉 ， 本综述旨在概述LPBF工艺中使用的钢和铁基合金的关键工艺参数 ， 描述与凝固过程中的相变和微观结构演变密切相关的热物理现象 ， 重点介绍冶金缺陷及其潜在控制方法 ， 以及各种后处理的影响 。 本文为第三部分 。
3.4.氧化
LPBF处理室的环境对于制造无氧化物零件非常重要 。 对于一般的LPBF过程 ， 大量的汽化现象主要体现为粉末剥落、羽流、飞溅和小孔孔洞等加工现象 。 通过原位同步辐射X射线成像可以直接观察到在各个加工条件下小孔的存在 。 由于熔融金属池极端混合不规则强激光注量流对流 ， 截留的氧气无法从表面完全蒸发 。 熔化前 ， 粉末表面上的被动氧化膜也可以形成 ， 因为粉末质量附着着大面积的氧化膜 。 粉末中的氧含量可以直接转化为LPBF制备的样品 。
粉末剥蚀：（a）放大图像 ， （b）具有不同能量输入的图片 ， （c）高速成像结果 ， （d）模拟结果
粉体层的热历史图位于距熔池液相线37.5、75和125微米处 。 利用罗森塔尔方程生成温度等高线图 。
Ti3O5、Al2O3、Cr2O3和Fe2O3 ， NiCr2O4和NiFe2O4分别是马氏体时效钢、不锈钢和Inconel 718金属粉末LPBF过程中形成的常见氧化物相 。 通常 ， 钢中的合金元素 ， 如Mn、Si、Ti和Al ， 对氧的亲和力较高 。 这些元素可以在LPBF构建部件的表面选择性氧化 。 马氏体时效钢18Ni（300）、Ti和Al对氧的亲和力最高 。 在钢熔化池中 ， 氧化物相通常比氮化物更稳定 。 马氏体时效钢中的一部分Ti与氮气反应 ， 形成小的立方TiN颗粒 。 TiN最有可能由大气中较高的N2供应形成（见图22） 。 此外 ， 还可以形成主要含有Ti3O5和Al2O3的复合氧化物相 。 氧化物、氮化物和碳化物的形成机理与其他类型的钢相似 。 在激光束强烈搅拌熔融熔池的过程中 ， 纳米范围氧化物膜的形成很容易蒸发 ， 对LPBF加工零件造成的损伤可以忽略不计 。
图22在技术纯N2气氛下激光重熔制造的LPBFed零件的不同放大倍数下的光学显微照片 。
为了尽量减少氧化 ， 必须使用清洁干燥的粉末 ， 尽管要保持足够低的氧分压 。 然而 ， 表面氧化有时会变得有利 。 与正常粉末（无氧化物生长）相比 ， 氧化金属粉末表面的CO2激光辐射吸收明显增加 ， 这强烈反映了10.6μm的辐射 。 在316L、H13、P20和18Ni300钢粉末表面形成纳米级、连续和热力学稳定的氧化物膜 ， 从而提高了激光吸收率 。 类似地 ， 在钢的LPBF处理过程中 ， 第二相纳米氧化物颗粒的形成（氧化物弥散增强）导致了更高的零件密度 ， 更好的机械和物理性能 。
3.5.合金元素损失
在LPBF工艺和其他激光加工技术中 ， 在温度较高的激光束正下方的一个小区域内 ， 汽化基本上很强烈 。 在很高的激光注量下 ， 熔融熔池表面的温度高于钢的沸点 ， 这有助于汽化 。 由于浓度和压力梯度 ， 汽化导致合金元素损失 。 熔融熔池表面蒸发的合金元素浓度高于保护气体内的浓度 。 熔融熔池表面的蒸汽压力强度高于周围的环境压力 ， 因此剩余压力驱动含有合金元素的蒸汽从表面喷出 。 合金元素的汽化和偏析改变了LPBF处理钢的化学成分 。 在316L不锈钢的LPBF工艺中 ， 镍、锰和铬合金浓度随着硅、钼合金元素的增加而降低 。 这一现象归因于沸腾温度较低的合金元素浓度降低 ， 而沸腾温度较高的其他合金元素浓度增加 ， 除了基合金元素铁 。
金属蒸汽驱动的粉末角速度分布的量化 。
合金元素的损失降低了零件密度 ， 导致微观结构缺陷 ， 如小孔、气孔、飞溅、空洞、裂纹、未熔合轨道 ， LPBF制造零件的机械性能较低 。 因此 ， 在激光参数优化过程中 ， 最小化合金元素损失被视为一个重要的准则 。 虽然激光能量密度是一个关键的工艺参数 ， 但扫描速度在蒸发过程中也起着同样重要的作用 。 通过仔细选择激光功率和扫描速度 ， 可以最小化合金元素的汽化 。
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