粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的類型包括尺寸缺陷、表面質量缺陷、顯微組織缺陷以及成分缺陷。本文主要描述對這些缺陷的控制方法。

01  殘余應力控制

控制成形部件內部的殘余應力和變形可有效提高成形部件的精度和質量。殘余應力消除主要通過熱處理來實現，熱處理按照其加工過程可分為：(1) 原位熱處理；(2) 傳統熱處理。

原位熱處理主要是通過設置更為合理的過程參數 (如改變掃描策略)，降低成形過程熔池與凝固組織間的溫度梯度和冷卻速度，在成形平面產生更為均勻的熱分布。此外，傳統熱處理也可被用來消除成形部件內部的殘余應力和提高孔隙率，但在處理過程中應注意設置合理的保護氣氛以防止活性金屬氧化。此外，近年來有研究人員將超聲強化、激光沖擊強化等新型手段與增材制造相結合，促使成形部件內部殘余應力轉變為有益的拉應力，極大地增加了金屬部件的疲勞性能。

02  表面缺陷控制

降低鋪粉層厚可有效減少臺階效應對于成形部件表面精度的影響，但同時會延長打印時間，增加打印成本。此外，打印過程中合適的擺放位置?，F有研究表明成形方向與打印生長方向夾角小于30°可有效抑制臺階效應對于成形樣品表面精度的影響。未熔粉末和球化效應所引起缺陷可通過調控過程參數來進行調整和優化。為提高表面光潔度，可篩分出粒度分布較為集中的粉末顆粒進行打印。采用較低的掃描速度和較高的激光功率可有望實現粉末完全熔化，消除球化缺陷，降低表面粗糙度。然而，過多的能量輸入也可能導致熱應力和冷卻速度不均勻造成部件變形等缺陷。因此，需對工藝參數進行廣泛研究，優化各種工藝參數，包括激光功率、掃描速度和艙口距離等，以達到粉末完全熔化條件。


(a, b) 表面粗糙度作為分析粗糙度模型預測的傾斜角和顆粒分數的函數；
(c) 多層PBF工藝模擬的側面，以及 (d) 實驗和預測側面粗糙度的比較

此外，為降低金屬增材制造部件表面粗糙度，對于結構簡單的金屬部件，可采用常規機械光整加工方法對于成形部件進行加工處理，如：機械拋光等。但傳統加工技術難以對增材制造復雜結構部件表面進行有效處理。對于具有復雜結構的異形金屬部件，常采用化學拋光、磨粒流拋光等先進物理、化學拋光方法進行處理。


03  微觀組織缺陷控制

微觀組織缺陷控制主要通過合金成分設計和過程參數控制來實現。通過在打印體系中添加新型合金元素或增強相顆粒，可有效改善部件加工性能，消除缺陷，提高打印質量和材料性能。目前，用于裂紋敏感合金的附加陶瓷顆粒包括氧化物( Al2O3 , Y2O3)、氮化物( TiN)、碳化物( TiC，SiC )、水合物( TiH2)和硼化物( TiB2)等，這些亞微米或納米級顆粒增強相可以作為異質形核點，誘導等軸晶生長，共調更多的應變，進而消除熱裂紋缺陷。


SS316L和 (b) Ti6Al4V LPBF 中熔池演化和孔隙形成的數值模擬；(c) Ni-Mo二元合金的AM中縮孔形成的模擬


Al7075合金的PBF打?。海╝）標準原料粉末（b）加入納米顆粒的粉末
（c，d）樹枝狀生長模式從柱狀生長向等軸生長的轉變（e，f）添加納米顆粒的晶粒細化和裂紋消除

工藝參數優化是目前最為常用的顯微組織缺陷控制方法，主要是通過體能量密度公式來確定合理的加工參數窗口。但隨著對能量密度公式的研究逐漸深入，研究人員發現現有能量密度公式已難以對工藝參數進行精確調控，急迫需要對其進行修正。為解決PBF成形金屬部件因其內部粗大柱狀晶所造成的嚴重的各向異性，研究人員期望將其轉變為細小等軸晶來提高其機械-力學性能，主要有以下四種方法：

1) 對打印過程參數進行調整(包括：激光功率、掃描速度、掃描策略等)；

2) 添加晶粒生長限制元素或增強相對合金進行合金設計，促使熔池中過冷液體在凝固時形核成為細小等軸晶；

3) 混合處理，在PBF過程中引入原位軋制或超聲振動處理，以外來能量輸入干涉熔融金屬液體的凝固過程，促進等軸晶的形核與長大；

4) 熱處理，通過對成形部件進行原位熱處理或者后期傳統熱處理，改變晶粒形態。顯微組織偏析與位錯胞行為的控制主要通過控制打印過程參數來實現。此外，通過在PBF過程中施加原位擾動(如電磁攪拌)也可實現對微觀組織與成分偏析的控制。

參考文獻：Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys.

來源：材料基