綜述：粉末原料特性對SLM打印零件性能影響的研究（1）(2)
時間：2022-04-26 13:07 來源：3D科學谷 作者：admin 閱讀：次
2.3.1 殘余應力
與SLS相比，SLM中使用的更高的輻照能量會產生更大的熱梯度，后者會增加零件成形過程中的殘余應力積累，這些應力會傳播到多個構建層，并可能導致嚴重的熱變形——分層或變形，如部分翹曲(參見圖3)。在SLM中，快速熔化和凝固循環會在固化材料中引入大的熱波動，這影響了壓縮和拉伸條件。SLM過程中殘余應力的形成主要有兩個熱機制:
(1)溫度梯度機制(TGM)；
(2)冷卻階段；
圖3 由于殘余應力可能導致的零件失效
基于TGM技術，在激光照射下，熔化層下面的預凝固材料迅速升溫，很容易膨脹，但受固化塊冷硬部分的限制。局部輻照區域熱膨脹的限制可能會產生殘余壓應力，導致塑性變形，如果應力水平超過材料的允許屈服強度(見圖4)。在冷卻階段，熔化層冷卻并收縮，收縮作用再次被下層抑制，導致上部區域的拉應力和底部區域的壓縮。因此，在激光間歇作用下的循環膨脹和收縮都會導致殘余應力的積累，根據以往的研究，最大的拉應力往往出現在最終沉積層的表面，可能超過母材的屈服點。研究人員還開發了應力預測工具、工藝細化方法和掃描策略，以解決由熱變形引起的零件變形問題，從而最大限度地減少SLM組件中產生的殘余應力。
圖4 溫度梯度機制(左)冷卻階段(右)
2.3.2 球化效應
球化效應是SLM工藝中常見的缺陷，它會破壞層間結合，導致氣孔，降低所生產零件的表面質量。這種不利影響通常來自于使用高掃描速度(低相應的能量密度)，它會產生一個細長的熔池，在瑞利不穩定性下會破裂以降低表面張力，同時形成大量的細小金屬球(10um)，沿著融化路徑交錯，見圖6。在激光功率不足的情況下也會產生球化現象，因為部分熔化的粉末會產生尺寸較粗的球(500um)。此外，在粉末顆粒表面發現的氧和氫等間隙成分或在構建氣氛中循環的溶解元素會破壞熔池表面張力，從而導致球化。這種間隙的存在逆轉了熔池表面的毛細管運動，迫使熔融液體在正表面張力梯度下向熔池中心流動，并對球化產生不利的潤濕條件。根據先前的研究，激光重熔(LSR)、加入脫氧雜質和提高激光功率聚變已表明可以將污染最小化并調節表面張力。
圖5 球化效應
2.3.3 蒸發現象
在超過能量密度閾值的水平發生的激光聚變可能導致金屬流體蒸發增加，超過材料的熔點，產生有助于等離子體形成的金屬蒸汽。蒸發現象通常被稱為“匙孔效應”(參見圖6)，深度激光束通過蒸汽空隙穿透粉末床，形成一個大的熔化池，也會造成球化現象。例如，在低掃描速度條件下可能會出現能量密度過高的情況，長時間的激光照射會導致熔池沸騰，破壞其穩定性，產生小的金屬球。強烈的反沖壓力也會引起粉床的剝落，同時馬蘭戈尼對流（Marangoni）也會促使熔池進一步進入粉層，形成凹陷。在冷卻過程中，凹陷側壁的破裂會留下不規則的氣孔，導致層間融合不良。此外，熔體飛濺和低粘度熔體的噴射也可能在快速膨脹和反沖力的作用下產生，從而降低零件表面質量和破壞涂布器的性能。
圖6 熔融匙孔模型
3 增材制造用金屬粉末
許多高價值行業正越來越多地尋求將金屬AM系統納入他們的生產線，以便探索生產高價值和復雜形狀金屬部件的優勢和能力。原料市場也將隨著金屬AM系統(包括SLM和EBM)的普及而呈指數增長，其中金屬粉末是零件生產的主要材料資源。盡管與傳統的粉末加工方法如粉末冶金(PM)和金屬注射成型(MIM)相比，目前基于金屬的AM粉末市場仍然相對較小，但日益增長的市場趨勢將為原料生產商創造更多的機會，從而更加重視開發用于金屬AM應用所需的精制優質粉末。
3.1 粉末制備技術
盡管與PM和MIM相比，AM工藝需要球形粉末來實現高的表觀密度和平滑的流變特性，但原料生產方法相對類似，這在金屬粉末成形工藝中是開源化的。現有的粉末霧化技術包括氣霧化、水霧化、等離子霧化、等離子旋轉電極霧化、離心霧化以及氫化脫氫工藝來制備可用的金屬原料。根據各自的加工方法和所使用的大氣條件，在不同的霧化技術范圍內，所生產的粉末的性能從粉末大小、形態、粒度分布到化學成分不等。在應用方面，氣體霧化(GA)粉末通常是SLM加工的首選，因為與水霧化(WA)顆粒相比，它們表現出更高的球形度，這是由于在霧化過程中熱容量較低和淬火速度較慢(見圖7)。盡管WA粉末的形態不規則，表觀密度較低，但在SLM中仍可通過工藝微調來制造完整的零件，這一點在第4.1節進一步討論。然而，WA級的高氧化物含量仍然是一個關鍵問題，其中高活性金屬粉末，如鈦合金，很少通用這種生產。相反，反應性和特殊粉末材料有時是通過等離子體旋轉電極工藝(PREP)、等離子體霧化(PA)和等離子體球化技術來生產的，這些技術保證了高球形和純化的粉末。據報道，與GA級相比，等離子體加工的原料在尺寸分布上表現出更高的球形度和均勻性。因此，等離子體制備粉末的應用主要見于對SLM Ti6Al4V的研究。雖然等離子加工高品級粉末的堆積密度和流動行為更有利于AM加工，但也有報道表示，高品級粉末生產的零件性能與GA粉末沒有明顯差異。這可能會鼓勵消費者繼續使用普通等級，因為等離子路線制備的粉末相對更貴。同時，研究和行業參與者也在研究通過WA工藝來提高球形顆粒收率的各種手段，以及熱噴涂方法，尋求具有成本效益的原料生產解決方案，降低AM粉的成本。
圖7 氣體霧化（左）vs水霧化粉末（右）
3.2 商業化粉末制備廠商
現有AM粉末制造商主要由機械制造商(OEM)、OEM批準的第三方供應商和普通粉末制造商組成。機器原始設備制造商通常將用戶限制在定制的專有原料范圍內，而粉末改性或廣泛的原料研發空間有限。或者，粉末材料可以從原始設備制造商認證的外部供應商購買，但可能仍然相對昂貴。然而，一個更節省成本的途徑是直接從一般粉末制造商那里采購，但這通常需要在實際SLM生產開始前進行進一步的試驗步驟，在此過程中也可能出現材料不一致的情況。此外，專有原料有指定的粉末屬性(粒度，粒度分布，化學成分等)，通常用于定制過程和指定的材料應用場景。由于粉末的制備方法不同，使用非OEM提供的原料可能導致最終產品性能比不上專有級的最佳。有案例表明，盡管在同一組參數下進行處理，特別是在低激光功率和慢掃描速度條件下，OEM和非專利粉末(94-96%)的部分致密化行為存在差異。此外，研究原料變化對SLM加工的影響的困難是由于缺乏公開的粉末表征細節，這些細節通常是由于競爭原因而未披露的。由于粉末實驗不足，很難在所有AM材料中建立通用的粉末要求，以驗證和評估制造環境。
3.3 粉末原料方面現有的問題、缺口和需求
近年來，許多戰略努力主要集中在通過工藝改進來優化零件組裝，如提高激光功率、降低掃描速度、艙口間距和層厚，這些都得到了很好的證明。然而，隨著金屬AM的快速發展，研究各種粉末特性的影響并建立與這些工藝窗口的相關性是十分必要的。在SLM工藝的不同階段，由于環境、機械和熱干擾，粉末特性經常受到不可預見的變化，這些變化影響到零件的致密化、機械性能、表面質量和微觀組織。為了確保重復加工過程中的質量和一致性，大量的研究工作都集中在開發合適的測量工具和表征方法上，這些工具和表征方法用于確定和量化單個粉末的性質。由于需要通過原料再利用來提高材料效率，粉末回收技術也受到越來越多的關注，以盡量減少污染和其他粉末的一致性問題，這些問題會影響化學反應性金屬合金的機械性能。許多物理、數值和熱學模型也被開發出來，以通過模擬分析打破SLM過程中激光與粉末相互作用的復雜性，但需要額外考慮從加工前、加工中到加工后的粉末轉化過程，以驗證原料變化和最終零件性能之間的關系。
因此，回顧現有文獻中粉末特性變化的影響是很重要的，這有助于確定粉末材料優化的領域，并支持當前的熱機械模擬模型，以完善過程預測能力。
(責任編輯：admin)
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