綜述：粉末原料特性對SLM打印零件性能影響的研究（1）(2)
時(shí)間：2022-04-26 13:07 來源：3D科學(xué)谷 作者：admin 閱讀：次
2.3.1 殘余應(yīng)力
與SLS相比，SLM中使用的更高的輻照能量會產(chǎn)生更大的熱梯度，后者會增加零件成形過程中的殘余應(yīng)力積累，這些應(yīng)力會傳播到多個(gè)構(gòu)建層，并可能導(dǎo)致嚴(yán)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(huán)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(yīng)力的形成主要有兩個(gè)熱機(jī)制:
(1)溫度梯度機(jī)制(TGM)；
(2)冷卻階段；
圖3 由于殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致的零件失效
基于TGM技術(shù)，在激光照射下，熔化層下面的預(yù)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(qū)域熱膨脹的限制可能會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致塑性變形，如果應(yīng)力水平超過材料的允許屈服強(qiáng)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(dǎo)致上部區(qū)域的拉應(yīng)力和底部區(qū)域的壓縮。因此，在激光間歇作用下的循環(huán)膨脹和收縮都會導(dǎo)致殘余應(yīng)力的積累，根據(jù)以往的研究，最大的拉應(yīng)力往往出現(xiàn)在最終沉積層的表面，可能超過母材的屈服點(diǎn)。研究人員還開發(fā)了應(yīng)力預(yù)測工具、工藝細(xì)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
圖4 溫度梯度機(jī)制(左)冷卻階段(右)
2.3.2 球化效應(yīng)
球化效應(yīng)是SLM工藝中常見的缺陷，它會破壞層間結(jié)合，導(dǎo)致氣孔，降低所生產(chǎn)零件的表面質(zhì)量。這種不利影響通常來自于使用高掃描速度(低相應(yīng)的能量密度)，它會產(chǎn)生一個(gè)細(xì)長的熔池，在瑞利不穩(wěn)定性下會破裂以降低表面張力，同時(shí)形成大量的細(xì)小金屬球(10um)，沿著融化路徑交錯(cuò)，見圖6。在激光功率不足的情況下也會產(chǎn)生球化現(xiàn)象，因?yàn)椴糠秩刍姆勰⿻a(chǎn)生尺寸較粗的球(500um)。此外，在粉末顆粒表面發(fā)現(xiàn)的氧和氫等間隙成分或在構(gòu)建氣氛中循環(huán)的溶解元素會破壞熔池表面張力，從而導(dǎo)致球化。這種間隙的存在逆轉(zhuǎn)了熔池表面的毛細(xì)管運(yùn)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(chǎn)生不利的潤濕條件。根據(jù)先前的研究，激光重熔(LSR)、加入脫氧雜質(zhì)和提高激光功率聚變已表明可以將污染最小化并調(diào)節(jié)表面張力。
圖5 球化效應(yīng)
2.3.3 蒸發(fā)現(xiàn)象
在超過能量密度閾值的水平發(fā)生的激光聚變可能導(dǎo)致金屬流體蒸發(fā)增加，超過材料的熔點(diǎn)，產(chǎn)生有助于等離子體形成的金屬蒸汽。蒸發(fā)現(xiàn)象通常被稱為“匙孔效應(yīng)”(參見圖6)，深度激光束通過蒸汽空隙穿透粉末床，形成一個(gè)大的熔化池，也會造成球化現(xiàn)象。例如，在低掃描速度條件下可能會出現(xiàn)能量密度過高的情況，長時(shí)間的激光照射會導(dǎo)致熔池沸騰，破壞其穩(wěn)定性，產(chǎn)生小的金屬球。強(qiáng)烈的反沖壓力也會引起粉床的剝落，同時(shí)馬蘭戈尼對流（Marangoni）也會促使熔池進(jìn)一步進(jìn)入粉層，形成凹陷。在冷卻過程中，凹陷側(cè)壁的破裂會留下不規(guī)則的氣孔，導(dǎo)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(chǎn)生，從而降低零件表面質(zhì)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(jià)值行業(yè)正越來越多地尋求將金屬AM系統(tǒng)納入他們的生產(chǎn)線，以便探索生產(chǎn)高價(jià)值和復(fù)雜形狀金屬部件的優(yōu)勢和能力。原料市場也將隨著金屬AM系統(tǒng)(包括SLM和EBM)的普及而呈指數(shù)增長，其中金屬粉末是零件生產(chǎn)的主要材料資源。盡管與傳統(tǒng)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(chǎn)商創(chuàng)造更多的機(jī)會，從而更加重視開發(fā)用于金屬AM應(yīng)用所需的精制優(yōu)質(zhì)粉末。
3.1 粉末制備技術(shù)
盡管與PM和MIM相比，AM工藝需要球形粉末來實(shí)現(xiàn)高的表觀密度和平滑的流變特性，但原料生產(chǎn)方法相對類似，這在金屬粉末成形工藝中是開源化的。現(xiàn)有的粉末霧化技術(shù)包括氣霧化、水霧化、等離子霧化、等離子旋轉(zhuǎn)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(jù)各自的加工方法和所使用的大氣條件，在不同的霧化技術(shù)范圍內(nèi)，所生產(chǎn)的粉末的性能從粉末大小、形態(tài)、粒度分布到化學(xué)成分不等。在應(yīng)用方面，氣體霧化(GA)粉末通常是SLM加工的首選，因?yàn)榕c水霧化(WA)顆粒相比，它們表現(xiàn)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(tài)不規(guī)則，表觀密度較低，但在SLM中仍可通過工藝微調(diào)來制造完整的零件，這一點(diǎn)在第4.1節(jié)進(jìn)一步討論。然而，WA級的高氧化物含量仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題，其中高活性金屬粉末，如鈦合金，很少通用這種生產(chǎn)。相反，反應(yīng)性和特殊粉末材料有時(shí)是通過等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)、等離子體霧化(PA)和等離子體球化技術(shù)來生產(chǎn)的，這些技術(shù)保證了高球形和純化的粉末。據(jù)報(bào)道，與GA級相比，等離子體加工的原料在尺寸分布上表現(xiàn)出更高的球形度和均勻性。因此，等離子體制備粉末的應(yīng)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(bào)道表示，高品級粉末生產(chǎn)的零件性能與GA粉末沒有明顯差異。這可能會鼓勵(lì)消費(fèi)者繼續(xù)使用普通等級，因?yàn)榈入x子路線制備的粉末相對更貴。同時(shí)，研究和行業(yè)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(chǎn)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(yè)化粉末制備廠商
現(xiàn)有AM粉末制造商主要由機(jī)械制造商(OEM)、OEM批準(zhǔn)的第三方供應(yīng)商和普通粉末制造商組成。機(jī)器原始設(shè)備制造商通常將用戶限制在定制的專有原料范圍內(nèi)，而粉末改性或廣泛的原料研發(fā)空間有限。或者，粉末材料可以從原始設(shè)備制造商認(rèn)證的外部供應(yīng)商購買，但可能仍然相對昂貴。然而，一個(gè)更節(jié)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(shí)際SLM生產(chǎn)開始前進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)步驟，在此過程中也可能出現(xiàn)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(xué)成分等)，通常用于定制過程和指定的材料應(yīng)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(dǎo)致最終產(chǎn)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(shù)下進(jìn)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(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)通常是由于競爭原因而未披露的。由于粉末實(shí)驗(yàn)不足，很難在所有AM材料中建立通用的粉末要求，以驗(yàn)證和評估制造環(huán)境。
3.3 粉末原料方面現(xiàn)有的問題、缺口和需求
近年來，許多戰(zhàn)略努力主要集中在通過工藝改進(jìn)來優(yōu)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(fā)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(guān)性是十分必要的。在SLM工藝的不同階段，由于環(huán)境、機(jī)械和熱干擾，粉末特性經(jīng)常受到不可預(yù)見的變化，這些變化影響到零件的致密化、機(jī)械性能、表面質(zhì)量和微觀組織。為了確保重復(fù)加工過程中的質(zhì)量和一致性，大量的研究工作都集中在開發(fā)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(gè)粉末的性質(zhì)。由于需要通過原料再利用來提高材料效率，粉末回收技術(shù)也受到越來越多的關(guān)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(xué)反應(yīng)性金屬合金的機(jī)械性能。許多物理、數(shù)值和熱學(xué)模型也被開發(fā)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(fù)雜性，但需要額外考慮從加工前、加工中到加工后的粉末轉(zhuǎn)化過程，以驗(yàn)證原料變化和最終零件性能之間的關(guān)系。
因此，回顧現(xiàn)有文獻(xiàn)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(yōu)化的領(lǐng)域，并支持當(dāng)前的熱機(jī)械模擬模型，以完善過程預(yù)測能力。
(責(zé)任編輯：admin)
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