綜述：粉末原料特性對SLM打印零件性能影響的研究（1）
時間：2022-04-26 13:07 來源：3D科學谷 作者：admin 閱讀：次
導讀：金屬增材制造(AM)憑借其設計自由和減少復雜零件生產過程中繁瑣的加工操作的優勢，已經開始在各個高價值行業領域廣泛應用。粉末床熔化(PBF)技術的使用，如選擇性激光熔化(SLM)也提高了材料的使用效率，其中未熔化的顆粒顆粒在每次成型后都是可回收的，這與傳統的減材方法形成了對比。然而，在不同的工藝階段，粉末特性往往會偏離其預處理狀態，這可能會影響原料行為和最終產品質量。
粉末原料的物化特性特別需要注意，包括粒度和形貌，必須嚴格控制，因為它們對粉末流動性、填料行為以及其他相應屬性都會產生影響，這些屬性共同影響了材料沉積和隨后的激光燒結過程。盡管目前的研究主要集中在對打印工藝參數（激光功率、艙口間距、掃描速度、掃描策略等）的細化，以優化SLM過程，但為了進一步擴大金屬增材技術在工業上的應用，探索粉末粒度等相關特性變化對零件成形性能的影響機制，并解決與粉末變化有關的各種可靠性和質量問題也是至關重要的。本文綜述了金屬AM原料的研究進展和與選擇性激光熔化工藝相關的各種粉末特性，重點討論了粉末粒度測定對原料和最終零件性能的影響。
1 金屬材料增材制造的發展歷程
如今，增材制造技術(AM)在醫療、航空航天和汽車行業得到越來越多的應用，用于制造具有復雜結構的原型和功能部件，同時消除了傳統加工技術不斷面臨的幾何約束。AM工藝在1980年末首次作為快速原型(RP)解決方案被引入，它基于各種層構建和材料整合方法，以生產用于可視化和原型設計目的的快速設計到部件模型。這種多功能技術提供了廣泛的材料鞏固機制，包括立體光刻(SLA)，層壓物體制造(LOM)，熔融沉積建模(FDM)，選擇性激光燒結(SLS)和3D打印(3DP)，它們共享層制造(LM)的共同工作原理。
增材制造已經誕生二十年有余，技術進步和嚴格的工業需求迫使AM方法轉向快速制造(RM)和快速模具(RT)。因此，傳統的RP技術的制造能力得以擴展，生產出材料和機械性能可與傳統制造相媲美的直接應用部件。目前，AM技術專注于開發實際的最終用途工業應用，如注塑工具，牙科種植和航空發動機部件。金屬AM工藝的目標是實現這些目標，結合設計靈活性、多材料集成以及輕量化的可能性，生產高價值的部件。
1.1 金屬AM材料及分類
金屬粉末、絲材和薄板材料是金屬AM工藝中常見的原料形式，這也區分了商業化技術的各自構建原理和材料結合模式(見圖1)。大多數金屬AM工藝都屬于粉末基系統，包括粉末床融合(PBF)、直接能量沉積(DED)和粘結劑噴射，它是利用顆粒粉末作為主要原料實現零件成形。其中PBF和DED技術是利用高能源(如激光或電子束)直接熔化粉末材料，實現零件的全致密；而粘結劑噴射則是將粉末顆粒用粘合劑凝固，然后進行燒結后和二次熔滲恢復零件密度。基于粉末的方法的材料沉積也不同，PBF和粘結劑噴射工藝涉及在材料固化之前將原料涂覆在床基板上，而DED利用同軸噴嘴和光束幾乎同時進行粉末輸送和熔化。特別是PBF技術，包括選擇性激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)工藝是直接制造高質量金屬零件的首選方法。相比之下，SLM在惰性氣體環境(如Ar或N)下使用Nd: YAG光纖激光器(200 - 400w)，而EBM則需要在真空條件下使用聚焦電子束(60kw)。雖然這兩種技術都能夠生產出接近凈形狀的金屬部件，但SLM通常能夠生產出比EBM更高的精度和更好的表面質量，但往往以更長的制造時間和更高的殘余應力為代價。雖然主要原因可能是SLM中使用的粉末粒度相對較細，但在工藝探索過程中，粒度分布(粒度測定)對粉末行為和由此對零件質量造成的影響仍不清楚。
1.2 選擇性激光熔化研究
眾所周知，金屬增材制造中的SLM技術和其他PBF工藝對制造部件之前使用的工藝和材料輸入都很敏感。因此，許多已發表的著作都集中在解決主要的關鍵工藝參數，包括激光功率、掃描速度、層厚和艙口距離，掃描策略的控制，以產生適合加工不同類型金屬材料的能量強度。現有的研究還綜述了SLM生產零件的力學性能，不同取向、構建布局、掃描策略導致的零件性能變化，以及在SLM加工過程中遇到的常見問題和缺陷，這些問題和缺陷與其復雜的冶金現象密切相關。為了解決過程的復雜性并理解SLM中發生的熱-機械相互作用，King等人開發了許多數值模擬模擬和有限元方法，并對其進行了評述。對于SLM中使用的材料，當在處理過程中首選使用更細的粉末時，可以實現具有更好分辨率的部件。然而，相對于粉體粒度分布在常規燒結研究中的重要性，人們對粉體粒度分布的影響重視較少。
最近，研究人員開始花費相當大的努力來量化金屬AM中使用的原料性能，以驗證粉末材料的幾個關鍵特征，AM粉末生產方法以及用于AM原料表征的計量技術。然而，根據作者的知識，粉末粒度分布(粒度)與其他材料參數(堆積密度、流變學、熱性能等)之間的相互關系，以及由此產生的機械性能和所生產零件的微觀結構之間的相互關系并沒有很好地被理解。在本文中，將首先概述SLM過程以及其在零件組裝過程中遇到的現有問題。接下來，將介紹金屬AM粉目前的進展，包括各種粉末屬性及其各自對SLM工藝的影響。最后，討論了粉末粒度的變化對粉末和零件性能的影響。
2 選擇性激光熔化
2.1 過程描述
選擇性激光熔化（SLM）技術的開發起源于2000年的快速原型制作（RM/RT）方法，隨著使用AM技術生產工業級金屬部件的需求日益增加，從以前的原型系統發展出鞏固能力。與許多AM方法類似，SLM過程從三維CAD/STL文件中提取設計信息，該文件通過計算機軟件進行數字轉換并切成薄的幾何層。然后，鏡子引導的激光源掃描惰性氣體生成腔內的粉末層，在沿著z軸以預先分配的厚度下降生成平臺之前，選擇性地熔化粉末層表面上的目標區域，以便發生下一個沉積。該工藝要求將初始粉末層熔合到基板上，并在構建平臺上進行初始調平，然后將后續粉末層按順序堆疊在固化層上，直到最終部分完成。SLM技術使用高功率激光直接將粉末顆粒熔化到熔融狀態，并產生接近致密的零件，而無需像SLS系統中所看到的那樣進行冗長的后處理。然而，最小應力消除熱處理和表面加工操作可能仍然需要優化零件的功能。此外，SLM中的零件優化通常需要控制關鍵工藝參數，包括：
(1)激光功率
(2)掃描速度
(3)艙口間距
(4)激光生成能量密度E (J/mm3)
以上參數由公式(1)表示：
這里P（W）代表所使用的激光功率，v(mm/s)代表掃描速度，h(um)是指艙口掃描軌跡間距，t(um)指層厚。表1列出了用于生產普通金屬材料(如不銹鋼316L)的高質量部件的能量密度值。不同的材料類型和機器所使用的能量密度也會由于材料的熱歷史以及用于產生零件的輻照源的不同而有很大的差異。同時，SLM仍然是一種技術上仍具有挑戰性的固結技術，這也限制了其適用范圍較窄，目前該技術可加工的常見結構合金也只是包括鋼、鈦、鋁和鎳這幾種。
2.2 冶金結合原理
SLM過程中的材料固結與傳統的鑄造操作不同，后者的熔化-凝固機制在很大程度上取決于快速的溫度變化、重力效應和沒有外部壓力的熔體對流。圖2顯示了典型的SLM過程中發生的熱機械反應：激光束掃過并撞擊在層層堆積的沉積粉末顆粒。激光源產生的高熱輻照能量通過體偶聯和粉末偶聯手段迅速被暴露的粉末顆粒吸收，隨后熔化，形成半分段的金屬熔池。在Marangoni對流下，熔體池的表面張力梯度根據局部溫差驅動熱毛細運動，熔體池中心最靠近束點(較熱的區域)的液體將被輸送到熔體邊緣(較冷的區域)。由于熔池有效地從激光束中流動，它表現出負表面張力梯度，從而產生淺而均勻分布的液體質量。隨后，在熔池邊界處分離的液體會聚集足夠多的表面能，然后流回加熱區域，完成對流循環。在這種熱毛細管作用下，熔融金屬進一步穿過粉末顆粒層，加入預先固結的底層，并在大約10^6k/s的冷卻速率下迅速凝固。
2.3 選擇性激光熔化過程中存在的問題
盡管具有柔性制造的優點，但SLM仍然是一個復雜的冶金工藝，受到各種缺陷和與工藝或材料變化相關的問題的影響，這些問題嚴重影響了最終的零件制造質量。
粉末原料的物化特性特別需要注意，包括粒度和形貌，必須嚴格控制，因為它們對粉末流動性、填料行為以及其他相應屬性都會產生影響，這些屬性共同影響了材料沉積和隨后的激光燒結過程。盡管目前的研究主要集中在對打印工藝參數（激光功率、艙口間距、掃描速度、掃描策略等）的細化，以優化SLM過程，但為了進一步擴大金屬增材技術在工業上的應用，探索粉末粒度等相關特性變化對零件成形性能的影響機制，并解決與粉末變化有關的各種可靠性和質量問題也是至關重要的。本文綜述了金屬AM原料的研究進展和與選擇性激光熔化工藝相關的各種粉末特性，重點討論了粉末粒度測定對原料和最終零件性能的影響。
1 金屬材料增材制造的發展歷程
如今，增材制造技術(AM)在醫療、航空航天和汽車行業得到越來越多的應用，用于制造具有復雜結構的原型和功能部件，同時消除了傳統加工技術不斷面臨的幾何約束。AM工藝在1980年末首次作為快速原型(RP)解決方案被引入，它基于各種層構建和材料整合方法，以生產用于可視化和原型設計目的的快速設計到部件模型。這種多功能技術提供了廣泛的材料鞏固機制，包括立體光刻(SLA)，層壓物體制造(LOM)，熔融沉積建模(FDM)，選擇性激光燒結(SLS)和3D打印(3DP)，它們共享層制造(LM)的共同工作原理。
增材制造已經誕生二十年有余，技術進步和嚴格的工業需求迫使AM方法轉向快速制造(RM)和快速模具(RT)。因此，傳統的RP技術的制造能力得以擴展，生產出材料和機械性能可與傳統制造相媲美的直接應用部件。目前，AM技術專注于開發實際的最終用途工業應用，如注塑工具，牙科種植和航空發動機部件。金屬AM工藝的目標是實現這些目標，結合設計靈活性、多材料集成以及輕量化的可能性，生產高價值的部件。
1.1 金屬AM材料及分類
金屬粉末、絲材和薄板材料是金屬AM工藝中常見的原料形式，這也區分了商業化技術的各自構建原理和材料結合模式(見圖1)。大多數金屬AM工藝都屬于粉末基系統，包括粉末床融合(PBF)、直接能量沉積(DED)和粘結劑噴射，它是利用顆粒粉末作為主要原料實現零件成形。其中PBF和DED技術是利用高能源(如激光或電子束)直接熔化粉末材料，實現零件的全致密；而粘結劑噴射則是將粉末顆粒用粘合劑凝固，然后進行燒結后和二次熔滲恢復零件密度。基于粉末的方法的材料沉積也不同，PBF和粘結劑噴射工藝涉及在材料固化之前將原料涂覆在床基板上，而DED利用同軸噴嘴和光束幾乎同時進行粉末輸送和熔化。特別是PBF技術，包括選擇性激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)工藝是直接制造高質量金屬零件的首選方法。相比之下，SLM在惰性氣體環境(如Ar或N)下使用Nd: YAG光纖激光器(200 - 400w)，而EBM則需要在真空條件下使用聚焦電子束(60kw)。雖然這兩種技術都能夠生產出接近凈形狀的金屬部件，但SLM通常能夠生產出比EBM更高的精度和更好的表面質量，但往往以更長的制造時間和更高的殘余應力為代價。雖然主要原因可能是SLM中使用的粉末粒度相對較細，但在工藝探索過程中，粒度分布(粒度測定)對粉末行為和由此對零件質量造成的影響仍不清楚。
圖1 金屬增材制造的分類（依據打印材料）
1.2 選擇性激光熔化研究
眾所周知，金屬增材制造中的SLM技術和其他PBF工藝對制造部件之前使用的工藝和材料輸入都很敏感。因此，許多已發表的著作都集中在解決主要的關鍵工藝參數，包括激光功率、掃描速度、層厚和艙口距離，掃描策略的控制，以產生適合加工不同類型金屬材料的能量強度。現有的研究還綜述了SLM生產零件的力學性能，不同取向、構建布局、掃描策略導致的零件性能變化，以及在SLM加工過程中遇到的常見問題和缺陷，這些問題和缺陷與其復雜的冶金現象密切相關。為了解決過程的復雜性并理解SLM中發生的熱-機械相互作用，King等人開發了許多數值模擬模擬和有限元方法，并對其進行了評述。對于SLM中使用的材料，當在處理過程中首選使用更細的粉末時，可以實現具有更好分辨率的部件。然而，相對于粉體粒度分布在常規燒結研究中的重要性，人們對粉體粒度分布的影響重視較少。
最近，研究人員開始花費相當大的努力來量化金屬AM中使用的原料性能，以驗證粉末材料的幾個關鍵特征，AM粉末生產方法以及用于AM原料表征的計量技術。然而，根據作者的知識，粉末粒度分布(粒度)與其他材料參數(堆積密度、流變學、熱性能等)之間的相互關系，以及由此產生的機械性能和所生產零件的微觀結構之間的相互關系并沒有很好地被理解。在本文中，將首先概述SLM過程以及其在零件組裝過程中遇到的現有問題。接下來，將介紹金屬AM粉目前的進展，包括各種粉末屬性及其各自對SLM工藝的影響。最后，討論了粉末粒度的變化對粉末和零件性能的影響。
2 選擇性激光熔化
2.1 過程描述
選擇性激光熔化（SLM）技術的開發起源于2000年的快速原型制作（RM/RT）方法，隨著使用AM技術生產工業級金屬部件的需求日益增加，從以前的原型系統發展出鞏固能力。與許多AM方法類似，SLM過程從三維CAD/STL文件中提取設計信息，該文件通過計算機軟件進行數字轉換并切成薄的幾何層。然后，鏡子引導的激光源掃描惰性氣體生成腔內的粉末層，在沿著z軸以預先分配的厚度下降生成平臺之前，選擇性地熔化粉末層表面上的目標區域，以便發生下一個沉積。該工藝要求將初始粉末層熔合到基板上，并在構建平臺上進行初始調平，然后將后續粉末層按順序堆疊在固化層上，直到最終部分完成。SLM技術使用高功率激光直接將粉末顆粒熔化到熔融狀態，并產生接近致密的零件，而無需像SLS系統中所看到的那樣進行冗長的后處理。然而，最小應力消除熱處理和表面加工操作可能仍然需要優化零件的功能。此外，SLM中的零件優化通常需要控制關鍵工藝參數，包括：
(1)激光功率
(2)掃描速度
(3)艙口間距
(4)激光生成能量密度E (J/mm3)
以上參數由公式(1)表示：
2.2 冶金結合原理
SLM過程中的材料固結與傳統的鑄造操作不同，后者的熔化-凝固機制在很大程度上取決于快速的溫度變化、重力效應和沒有外部壓力的熔體對流。圖2顯示了典型的SLM過程中發生的熱機械反應：激光束掃過并撞擊在層層堆積的沉積粉末顆粒。激光源產生的高熱輻照能量通過體偶聯和粉末偶聯手段迅速被暴露的粉末顆粒吸收，隨后熔化，形成半分段的金屬熔池。在Marangoni對流下，熔體池的表面張力梯度根據局部溫差驅動熱毛細運動，熔體池中心最靠近束點(較熱的區域)的液體將被輸送到熔體邊緣(較冷的區域)。由于熔池有效地從激光束中流動，它表現出負表面張力梯度，從而產生淺而均勻分布的液體質量。隨后，在熔池邊界處分離的液體會聚集足夠多的表面能，然后流回加熱區域，完成對流循環。在這種熱毛細管作用下，熔融金屬進一步穿過粉末顆粒層，加入預先固結的底層，并在大約10^6k/s的冷卻速率下迅速凝固。
圖2 馬蘭戈尼對流
2.3 選擇性激光熔化過程中存在的問題
盡管具有柔性制造的優點，但SLM仍然是一個復雜的冶金工藝，受到各種缺陷和與工藝或材料變化相關的問題的影響，這些問題嚴重影響了最終的零件制造質量。
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