图31.双峰型和高斯型粉末的热吸收率比较[124]。
粉末颗粒通常以点接触的方式排列在粉床上,而颗粒间的空隙通常被惰性大气介质填充,这些介质是热的不良导体。因此,在SLM过程中,粉末床能否有效地将热量从熔池中传导出去并通过周围的颗粒,主要取决于其尺寸分布影响下的堆积结构,而不是材料的体积导热性。在[144]中显示,较高的相对堆积密度会增加金属粉末的导热性(参考图32)。相应地,高配位数和增加的粉末颗粒接触也可以对应更大的热传导程度。Gusarov等人[145]证明了这一点,与其他晶体结构(BCC、SC和Diamond)相比,具有最密集堆积结构(FCC)和最高配位数(N = 12)的单尺寸球体获得最高的热传导率。Zhou等人[146]也模拟了颗粒堆积模型,他们报告说,双模式粉末配置表现出两个不同的配位数,分别对应于粗粉和细粉的单个粒子接触。Zhou等人[146]也模拟了粒子堆积模型,他们报告说,双模式粉末配置表现出两个不同的配位数,分别对应于粗粉和细粉的单个粒子接触(见图33)。双模态混合物由配位数较低的细颗粒(N = 4)和较粗的颗粒(N = 8)组成,而单一尺寸的粉末只显示出单一配位数(N = 6)。尽管在多模态粉末中观察到颗粒接触的这种不连续趋势,但正如Gu等人所报告的那样,双模态Ti6Al4V粉末的热导率仍然比高斯粉末等级高出40%[103]。关于早期的研究,双模态粉末中包含的细小颗粒可以提供更好的堆积性能,但由于堆积密度的增加或更高的配位数/颗粒接触,其对改善热导率的有效性仍不清楚,需要对具有不同颗粒度数据的粉末等级进行更详细的热导率测量。这样的热导率值将有助于未来的激光粉床数值模拟和传热模型,以实现更好的粉末到零件的质量预测。
图32.相对粉末密度与导热率的关系[144]。
图33.颗粒分布与配位数[146]。
6.粉末颗粒度对零件性能的影响
粉末颗粒度对各种零件特性的潜在影响,包括密度、机械性能、微观结构和表面质量,将在以下章节中讨论。
6.1.零件密度
零件密度是一个主要的质量指标,它决定了通过增材手段(包括SLM)制造的部件的可用性。除了需要多孔材料的应用外,SLM部件最好能达到较高的部件密度(>95%),因为残留的孔隙往往会导致机械性能和整体部件性能的下降[147]。多孔性缺陷通常在SLM部件中被发现,因为与粉末有关的故障和不合适的加工参数导致了收缩、球化和汽化效应[9]。此外,次级粉末的特性,如化学成分中的高氧化物含量和不良的堆积密度,会对零件的致密化造成不利影响。然而,文献中较少讨论粉末颗粒度对最终零件密度的主要影响,但可以提出与尺寸分布有关的零件致密化的潜在影响。
Spierings等人[58]报告说,具有不同尺寸属性的316L粉末产生的零件密度与所使用的工艺窗口密切相关。在所有的能量密度水平和使用的层厚(30μm和45μm)中,具有最细粒径的高斯级(D90=30.8μm)获得最佳的零件密度。在最粗的负偏斜粉末(D90 = 59.7μm)中存在的细小颗粒(μ10-15μm)也比中间大小的高斯级(D90=41.3μm)在30μm的层厚和35-60J/mm3的低能量密度范围内产生更好的部件密度。然而,层厚增加到45μm时,显示出更细的粉末产生了更致密的部件。因为与更粗的偏斜等级相比,实现了更完整的熔化。因此,根据整体的粉末尺寸,偏斜粉末中较高浓度的细颗粒在30米层促进了更明显的熔化,而后来在45μm层厚(有效层厚=74μm)发生优先熔化的情况下,这种影响就会减弱。从本质上讲,使用细粒度的粉末可以通过实现颗粒的完全熔化,比粗粒度的粉末提供更好的部件致密化。Liu等人[85]比较了具有不同分布宽度的316L牌号,并报告了在扫描速度>150毫米/秒时,分布较宽的粉末(SO)具有更好的零件致密化结果,而较窄的牌号(LPW)在较慢的扫描速度(100毫米/秒)下表现更好(参见图34)。这可能表明,在低速和高能量密度条件下,较细的颗粒有较高的汽化趋势,这很可能在凝固时启动匙孔熔化并诱发孔隙。此外,粗粉等级可能随着能量密度的增加而受到较小的影响,因为较大的颗粒需要更长的时间来实现完全熔化,这就降低了材料汽化的概率。当扫描速度提高到150毫米/秒及以上时,SO粉产生的零件密度比LPW高,这可能表明细颗粒在促进快速熔化而不发生汽化方面的有益作用。Gu等人[103]比较了高斯和多模态Ti6Al4V等级之间的零件致密化效果,发现高斯Ti6Al4V粉末的孔隙率比双模态等级高。据称,双峰级的热导率较高,可产生更宽的熔池,允许更多的熔体重叠,从而防止相邻轨道之间形成孔隙。此外,根据文献[105],多模态粉末的更有效的粉末堆积行为可能有助于提高零件的致密性。根据这些研究,与较粗的粉末相比,使用细粒度的粉末通常需要较低的能量密度来实现颗粒的完全熔化。此外,细颗粒的加入有助于提高与粉末堆积密度相关的部分致密化,但需要与工艺参数相辅相成,以达到最佳效果。同时,还需要进一步的研究来验证粉末汽化发生前允许的细颗粒的大小和组成,这可能与粉末的堆积密度以及热吸收率有关系。
图34.不同扫描速度下的商用316L粉末的部分密度[85]。
6.2.机械性能
采用金属增材制造的一个关键举措是,与传统的机械加工或铸造方法相比,AM可以生产出性能优越的结构部件。因此,除了设计灵活性和材料效率方面的优势外,金属增材制造部件的机械性能预计将等同于甚至超过传统技术制造的部件。从本质上讲,SLM部件通常具有较高的抗拉强度和较好的硬度,但与锻造产品相比,其延展性较低,疲劳性能下降[148-150]。在SLM零件中也存在各向异性的行为,零件的机械性能取决于构建方向、扫描策略以及零件布局[151-153]。工艺变量对机械性能的影响,包括激光功率、扫描速度、层厚和舱口间距,也在文献中得到了广泛的研究和充分的记录[154-156]。关于粉末特性,已知材料成分中的氧化物和其他非金属夹杂物会在熔池边界发生偏析,从而凝固为晶界并影响机械性能[152]。然而,粉末粒度对机械性能的影响还没有得到很好的理解,可能会产生与零件孔隙率有关的潜在影响。
Spierings等人[79]报告说,与较细的粉末等级相比,较粗的颗粒度粉末可能会导致制造的零件中出现较大的空隙尺寸。尽管表现出负偏斜的特征(存在细颗粒),但最粗的粉末等级生产的零件的机械强度相对较低,其中可能没有足够的细颗粒来有效填充粗粉基体中的大空隙。扩大的孔隙在拉伸载荷期间可能成为裂纹的引发者,导致生产的零件的极限拉伸强度(UTS)降低。另一方面,用细颗粒法生产的零件显示出较低的延展性,这可能是由于在较大的表面积下有较高的激光吸收,延长了过冷度,导致更细的微观结构和更高的抗拉强度。在另一项工作中,Liu等人[85]使用了两种不同的316L牌号,其平均尺寸相当,与较窄的牌号相比,较宽尺寸分布的粉末(负偏斜)产生的零件强度较低,伸长率较高。与Spierings等人[79]不同的是,细小颗粒的存在可能引起了更快的熔化,延长了熔池寿命,产生了更粗的晶粒结构,降低了机械强度。同时,正如Gu等人[103]所报告的那样,用双峰Ti64V粉末生产的零件显示出比高斯牌号稍高的超强度和较低的屈服强度。由于报告相互矛盾,需要进行更多的实验验证研究和微观结构评估,以量化粉末粒度对机械性能的影响程度,特别是对要使用的细颗粒的尺寸和组成的影响。
6.3.微观结构
由于快速的加热和冷冻循环,通过SLM工艺制造的金属部件往往在晶粒尺寸、生长形态和相的形成方面显示出与传统铸造技术不同的微观特征[157]。与传统的凝固方法相比,极端的冷却速率(103至108K/s)通常会产生相对更细的晶粒(<<1μm),也可能允许偏离平衡条件的可转移相的成核。凝固晶粒的生长模式在很大程度上取决于熔池的热梯度,平面凝固通常发生在熔池和基体的界面上,然后演变成蜂窝状和树枝状结构。在狭窄的凝固窗口下,扩散过程通常受到限制,很少发生第二相沉淀或结构偏析,同时通常会获得精细的初级和次级晶粒特征,为SLM部件提供显著的机械强度[13]。SLM部件中的晶粒尺寸也可以通过修改工艺设置来控制,更快的扫描速度和更低的结果能量密度被证明可以产生更精细的微结构[28,45]。据说扫描速度的增加在熔池中提供了更大程度的过冷,这导致了更快的凝固速度和晶粒生长的抑制。
在原料对零件微观结构的影响方面,据报道,原始粉末的化学成分会影响微观成分相的形成[3,82]。Starr等人[82]表明,使用通过氮气雾化生产的17-4 pH SS粉末制造的零件主要包含奥氏体结构(>96%),而氩气雾化粉末则实现了更多的马氏体结构(~76%),即使两种粉末都是在相同的SLM环境下加工。起始粉末中较高的残余氮含量被认为是为了使奥氏体得以保留,并稳定了FCC相,而不是转变为马氏体结构。另一方面,Simchi[133]报告说,增加氧气浓度会减少铁零件的晶粒尺寸。由于氧化膜的存在,它可能增加了激光的吸收量,并诱发了更陡峭的热梯度,从而产生了更大过冷度,以便更快速地发生凝固。由于工艺冷却率与激光和粉末之间的热相互作用有很强的亲和力,相对于其堆积密度的热特性以及粉末颗粒度也会对零件的微观结构产生一些影响。Averyanova等人[158]比较了由两种具有不同粉末尺寸(D90<<16 μm和D90<< 25 μm)的GA高斯粉末生产的pH17-4零件的微观结构,与较粗的等级(6%)相比,较细的粉末产生的马氏体相浓度更高(38%)。Olakanmi等人的另一项研究[105]报告说,在其他双峰混合体中,表现出最高振实密度的双峰Al-Si粉末也实现了最精细的树枝状特征。这两项研究都表明,细小的颗粒可能允许更高的热传导离开熔池,并且与更细的微观结构结果相关的淬火能力更快。然而,在三模态铝硅混合物中发现的更精细的颗粒尺寸(<<14μm),与双模态粉末(<<30μm)相比,可能会导致熔池寿命延长,从而促进晶粒生长。然而,还需要进一步的调查,因为其他的粉末变化研究显示了微观结构变化的有限证据,包括[103],他报告了双峰和高斯Ti6Al4V粉末中相似的晶粒生长和组成相。Ardila等人[65]也观察到新的和回收的IN718粉末批次中具有树枝状结构的柱状晶粒的可比性生长行为,尽管在颗粒度上存在差异。通过比较上述研究中使用的材料类型[65,103,105],与其他材料(Ti和Ni合金)相比,影响微观结构的冷却速率的细微变化在更多的导热材料(Al合金)中可能更容易观察到。总的来说,颗粒度对微观结构变化的主要影响仍然是有限的,没有直接的关联,尽管粉末热性能和所产生的微观结构尺寸之间的可能联系可以在SLM过程中影响传热率的粉末尺寸分布和堆积密度的变化方面实现。
6.4.表面质量
表面粗糙度是一个重要的指标,它决定了AM部件的制造质量,特别是对于需要优秀的表面质量(Ra =0.8 μm)以防止过早的疲劳故障的循环应用[159]。虽然SLM部件的平均表面粗糙度(Ra= 8.75 μm)[4]通常优于其他金属AM技术,但要达到机器加工的表面质量而不需要额外的操作,如抛光、喷丸或研磨,仍然是一个基本挑战。在生产中,激光表面重熔(LSR)技术被用来通过熔池的重新分布来细化外围层的粗糙轮廓,以均匀地填充空隙并改善表面质量(Ra=1.5μm)[109]。然而,重新熔化的策略仍然是一个昂贵和耗时的程序,因为每一层都必须重新扫描,以产生高度密集和表面增强的零件。由于逐层形成的性质,大多数AM建造的结构也表现出阶梯状的外观,这与所生产的部件的轮廓相近,特别是对于从基体上以低倾斜角度(5-15◦)建造的特征。同时,更陡峭的剖面(>20◦)使阶梯状间隔之间的间隙最小化,但通过增加驻留在斜边的部分熔化颗粒的数量而导致表面粗糙度[160]。此外,顶面粗糙度(垂直于建造方向)主要是由熔池的波纹运动造成的,而侧面粗糙度(平行于建造方向)可能是在马兰戈尼对流和表面张力效应下,熔体被吸引到层边的结果[161]。因此,凝固的熔池的几何特征将在决定零件堆积过程中每个成品层的表面粗糙度方面发挥重要作用。事实上,最常见的表面缺陷也被称为球化现象,是在高扫描速度下熔池破裂的结果,它产生了不连续的表面,阻碍了涂覆装置的运动,并通过非均匀的粉末沉积引发了孔隙[13,40]。在熔池驻留运动后的侧面粗糙度上,由于起球而导致的表面质量下降也更为普遍。另一方面,由低扫描速度和/或高激光功率产生的大熔池也会在凝固时产生粗糙的熔层表面并诱发球化[162]。因此,应该使用足够的激光能量输入,使熔池在反冲压力下变平,获得更平滑的表面[29,161]。减少层厚也有助于通过减少阶梯宽度来减少阶梯效应,但由于需要形成更多的层数,通常需要更长的建造时间[160,163,164]。较窄的舱口距离也能改善零件的表面粗糙度,有利于相邻轨道之间的熔体重叠[26,162]。这些影响大多与SLM过程中使用的能量密度有关,研究人员已经开发了各种物理和数值模型来预测表面质量[160,165,166]。
关于粉末特性,零件的表面质量直接受到粉末颗粒度的影响,使用较细的颗粒可以最大限度地减少阶梯效应,因为需要较小的层厚度[79,167]。相应地,使用精细的粉末尺寸和层厚可以使SLM在表面质量和零件分辨率方面优于其他金属AM系统[9]。如Spierings等人[79]所示,细粒度的粉末也会被更大幅度地熔化,并比粗粒度的粉末产生更好的表面质量。此外,与较窄的等级(10-45μm)相比,分布较广的粉末(0-45μm)产生的零件具有更好的侧表面粗糙度[85]。Lee和Zhang[100]通过数值模拟也提出,与类似粒度范围的负倾斜等级相比,具有较高细颗粒成分的正倾斜粉末产生了更平滑的熔池表面。然而,由于热积聚效应,细粉在建造具有倾斜度(~45◦)的尖锐边缘时可能会带来不利因素,产生更粗糙的表面[167]。根据所报道的研究,SLM零件的表面质量似乎主要受粉末颗粒度的影响,即层厚和粉末堆积密度。细粒度的粉末通常需要较小的层厚,这可以减少阶梯效应以及表面粗糙度。另一方面,加入细小的颗粒,同时增加粉末堆积密度,也会产生稳定和连续的熔池,产生更平滑的轮廓和零件表面。
7.总结
粉末粒度对SLM工艺中的原料和零件性能的影响已经在这项工作中得到审查,并分别在表4和表5中进行了总结。在PBF技术中使用的粉末材料往往由于工艺干扰(机械、热等)而在尺寸分布上发生变化,这将延伸到其他粉末特性上,并影响最终的零件质量。因此,重要的是要调查由于粒度变化而产生的各种加工影响,并为原料制造、优化、表征、鉴定以及专门为SLM工艺的选择建立进一步的依据。在粉末特性中,形态和粒度属性主要是交织在一起的,可以决定原料的其他物理和化学行为。堆积密度和流动性构成了SLM加工前原料鉴定的基础,并
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