鋼的激光粉末床熔煉綜述：工藝、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和當前挑戰(zhàn)和未來趨勢（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，本綜述旨在概述LPBF工藝中使用的鋼和鐵基合金的關(guān)鍵工藝參數(shù)，描述與凝固過程中的相變和微觀結(jié)構(gòu)演變密切相關(guān)的熱物理現(xiàn)象，重點介紹冶金缺陷及其潛在控制方法，以及各種后處理的影響。本文為第三部分。

3.4.氧化
LPBF處理室的環(huán)境對于制造無氧化物零件非常重要。對于一般的LPBF過程，大量的汽化現(xiàn)象主要體現(xiàn)為粉末剝落、羽流、飛濺和小孔孔洞等加工現(xiàn)象。通過原位同步輻射X射線成像可以直接觀察到在各個加工條件下小孔的存在。由于熔融金屬池極端混合不規(guī)則強激光注量流對流，截留的氧氣無法從表面完全蒸發(fā)。熔化前，粉末表面上的被動氧化膜也可以形成，因為粉末質(zhì)量附著著大面積的氧化膜。粉末中的氧含量可以直接轉(zhuǎn)化為LPBF制備的樣品。

粉末剝蝕：（a）放大圖像，（b）具有不同能量輸入的圖片，（c）高速成像結(jié)果，（d）模擬結(jié)果

粉體層的熱歷史圖位于距熔池液相線37.5、75和125微米處。利用羅森塔爾方程生成溫度等高線圖。

Ti3O5、Al2O3、Cr2O3和Fe2O3，NiCr2O4和NiFe2O4分別是馬氏體時效鋼、不銹鋼和Inconel 718金屬粉末LPBF過程中形成的常見氧化物相。通常，鋼中的合金元素，如Mn、Si、Ti和Al，對氧的親和力較高。這些元素可以在LPBF構(gòu)建部件的表面選擇性氧化。馬氏體時效鋼18Ni（300）、Ti和Al對氧的親和力最高。在鋼熔化池中，氧化物相通常比氮化物更穩(wěn)定。馬氏體時效鋼中的一部分Ti與氮氣反應(yīng)，形成小的立方TiN顆粒。TiN最有可能由大氣中較高的N2供應(yīng)形成（見圖22）。此外，還可以形成主要含有Ti3O5和Al2O3的復(fù)合氧化物相。氧化物、氮化物和碳化物的形成機理與其他類型的鋼相似。在激光束強烈攪拌熔融熔池的過程中，納米范圍氧化物膜的形成很容易蒸發(fā)，對LPBF加工零件造成的損傷可以忽略不計。

圖22在技術(shù)純N2氣氛下激光重熔制造的LPBFed零件的不同放大倍數(shù)下的光學顯微照片。

為了盡量減少氧化，必須使用清潔干燥的粉末，盡管要保持足夠低的氧分壓。然而，表面氧化有時會變得有利。與正常粉末（無氧化物生長）相比，氧化金屬粉末表面的CO2激光輻射吸收明顯增加，這強烈反映了10.6μm的輻射。在316L、H13、P20和18Ni300鋼粉末表面形成納米級、連續(xù)和熱力學穩(wěn)定的氧化物膜，從而提高了激光吸收率。類似地，在鋼的LPBF處理過程中，第二相納米氧化物顆粒的形成（氧化物彌散增強）導致了更高的零件密度，更好的機械和物理性能。

3.5.合金元素損失

在LPBF工藝和其他激光加工技術(shù)中，在溫度較高的激光束正下方的一個小區(qū)域內(nèi)，汽化基本上很強烈。在很高的激光注量下，熔融熔池表面的溫度高于鋼的沸點，這有助于汽化。由于濃度和壓力梯度，汽化導致合金元素損失。熔融熔池表面蒸發(fā)的合金元素濃度高于保護氣體內(nèi)的濃度。熔融熔池表面的蒸汽壓力強度高于周圍的環(huán)境壓力，因此剩余壓力驅(qū)動含有合金元素的蒸汽從表面噴出。合金元素的汽化和偏析改變了LPBF處理鋼的化學成分。在316L不銹鋼的LPBF工藝中，鎳、錳和鉻合金濃度隨著硅、鉬合金元素的增加而降低。這一現(xiàn)象歸因于沸騰溫度較低的合金元素濃度降低，而沸騰溫度較高的其他合金元素濃度增加，除了基合金元素鐵。

合金元素的損失降低了零件密度，導致微觀結(jié)構(gòu)缺陷，如小孔、氣孔、飛濺、空洞、裂紋、未熔合軌道，LPBF制造零件的機械性能較低。因此，在激光參數(shù)優(yōu)化過程中，最小化合金元素損失被視為一個重要的準則。雖然激光能量密度是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)，但掃描速度在蒸發(fā)過程中也起著同樣重要的作用。通過仔細選擇激光功率和掃描速度，可以最小化合金元素的汽化。

3.6.剝蝕

粉末剝蝕是固化熔體軌道周圍粉末顆粒的明顯損耗（見圖23）。在典型的LPBF處理環(huán)境中，剝蝕是由熔融熔池中金屬蒸汽羽流的強烈蒸發(fā)引起的。強烈的汽化作用使蒸汽羽流內(nèi)部的壓力下降，并產(chǎn)生一股環(huán)境氣體向熔體軌道中心流入，稱為伯努利效應(yīng)。這種向內(nèi)的環(huán)境氣流足以沿其流動掃入粉末顆粒，粉末顆粒可以包含在熔融熔池中，也可以隨蒸汽羽流噴出。采用更高的激光功率、更高的掃描速度和大氣壓（氬氣）會導致更高的粉末顆粒損耗。另一方面，如果激光注量不足以完全熔化粉末顆粒，并且表面張力傾向于將部分熔化的粉末顆粒拉入熔池，也會發(fā)生剝蝕。

圖23不同激光功率和2 m/s掃描速度下熔體軌跡周圍剝蝕區(qū)的共焦高度顯微鏡圖像。

3.7.環(huán)境影響

氬（Ar）、氮（N2）、氦（He）是LPBF過程中最常用的三種保護性惰性氣體。在Ar和N2環(huán)境下生產(chǎn)的LPBF加工鋼部件顯示接近全密度值，而在He環(huán)境下使用相同的加工參數(shù)生產(chǎn)的部件顯示約90%的密度。Ar和N2環(huán)境下產(chǎn)生的較低等離子體羽流在激光束和金屬粉末之間保持良好的接觸，這導致接近全密度的零件值超過99%。最終產(chǎn)品密度的差異可能與阻擋激光束的等離子體羽流有關(guān)。這可以通過使用Ar作為保護氣體并提供足夠和連續(xù)的能量輸入來解決，這可以克服金屬蒸發(fā)和電離過程的能量損失。類似地，在鋼的LPBF過程中使用低氣壓可降低金屬蒸汽的阻力，從而導致大量自由粉末飛濺（圖24a）。因此，建議使用強大的環(huán)境壓力。存在于熔池表面的金屬蒸汽必須與強保護環(huán)境對抗，從而減少粉末飛濺（圖24b）。

圖24 X射線圖像顯示了具有不同環(huán)境壓力的相同粉末層厚度的飛濺計數(shù)（a）弱環(huán)境壓力（b）強環(huán)境壓力。

3.8.與鋼材LPBF工藝相關(guān)的常見問題

除了已經(jīng)討論過的不同工藝引起的冶金缺陷外，在LPBF鋼部件制造過程中出現(xiàn)的其他最常見問題如下：

1.鋼的LPBF工藝通常會導致沿構(gòu)建方向形成各向異性微觀結(jié)構(gòu)，尤其是構(gòu)建層界面處缺陷的方向，這會影響延伸率并決定機械性能[209]。

2.母材的化學成分將影響裂紋敏感性。硫和磷等低熔點合金元素會導致凝固開裂，而錳由于蒸汽壓力高，會導致局部損耗。其他合金元素，如硅、鈦，可能會導致不規(guī)則氣孔。

3.在低碳鋼的LPBF過程中，由于隨后的快速冷卻，預(yù)計會形成硬而脆的高碳馬氏體，從而顯著降低機械性能。

光學圖像顯示了粉末層厚度對添加劑制備的AlSi10Mg樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響。

4.高碳鋼的LPBF加工比低碳鋼更困難，因為在快速冷卻過程中，凝固收縮和熱收縮會產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力。除了LPBF工藝誘發(fā)的殘余應(yīng)力外，形成不良（馬氏體）微觀結(jié)構(gòu)的可能性更大。馬氏體和氫的結(jié)合促進氫開裂。

5碳含量越高，硬度越高，韌性越低，因此在熱處理低合金鋼的LPBF工藝中，更容易發(fā)生氫開裂。

6.熔化前，粉末表面形成氧化膜和無源碳化物的可能性更大，因為與大面積粉末質(zhì)量有關(guān)，這會影響LPBF鋼制件的表面質(zhì)量。

7.由于氧化物和碳化物的存在，大型熔融熔池的形成會吸引更多粉末顆粒，從而降低潤濕性；這有利于缺陷的形成。此外，較大的熔池會導致較高的晶粒邊界，從而成為液化開裂的場所。

8.鋼粉流動性差會阻礙粉末顆粒的擴散，從而影響層厚的連續(xù)性，并導致LPBF生產(chǎn)零件的表面粗糙度。鋼粉的放熱氧化會增加熔池的體積，從而導致高度的熔體軌跡不穩(wěn)定和結(jié)球缺陷。

9從更廣的角度來看，很難為航空航天、海洋和其他工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)大型部件，因為現(xiàn)有的LPBF系統(tǒng)由于建筑腔室尺寸限制（300 mm×300 mm×350 mm），僅限于制造中小型部件。

根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于不同鋼材LPBF的文獻，提出了三個LPBF處理窗口，如較低的處理窗口、較高的處理窗口和最終的最佳處理窗口（見圖25）。

圖25 LPBF加工窗口的標簽及其對最終零件質(zhì)量的影響。

4.LPBF處理鋼的顯微組織、磨損和表面紋理特征、機械性能

4.1.微觀結(jié)構(gòu)特征

LPBF期間的微觀結(jié)構(gòu)演變并非微不足道。無法將特定類型鋼的微觀結(jié)構(gòu)特征歸因于所有其他類型的鋼。然而，有必要了解鋼的LPBF過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的一般方面，以便進一步研究。Tan等人研究了馬氏體時效鋼在水平面和垂直面上LPBF過程的微觀結(jié)構(gòu)演變。作者注意到，在中心均勻分布著大量亞微米大小的六角形胞狀晶粒，在熔煉軌跡的邊界處（垂直于掃描方向）普遍存在針狀細長晶粒。在馬氏體時效鋼的LPBF處理過程中，這些微觀結(jié)構(gòu)特征是在較高冷卻速度下快速熔化和快速凝固的結(jié)果（見圖26a）。晶核的生長速度在各個方向上都是一致的，因此容易形成等軸晶粒。如圖26b所示，等軸晶體呈現(xiàn)六角形胞狀結(jié)構(gòu)。垂直平面上各種晶體形態(tài)的形成機制如圖26c所示。熔池底部可觀察到平面凝固組織。隨著G/R比隨R的逐漸增加而降低，從熔池底部向?qū)佣询B/或建筑方向上升，可見胞狀樹枝狀結(jié)構(gòu)。G/R值進一步降低，達到熔融熔池的中間，胞狀結(jié)構(gòu)普遍存在，隨后是更細/更粗的等軸晶，在熔融金屬池的邊界處明顯可見。

圖26 LPBF制備試樣的微觀結(jié)構(gòu)演變：（a）水平和垂直橫截面的特征形貌；（b）細胞晶體和細長針狀晶體的結(jié)構(gòu)和形成機制；（c）熔池和重疊區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的示意圖和形成機制。

鎳鉬合金鋼LPBF過程中形成的主要由α-Fe（m）相（m、Cr、Ni、Mo）組成的非常精細的微觀結(jié)構(gòu)。LPBF制造的熱加工鋼的微觀結(jié)構(gòu)以富碳γ-Fe區(qū)裝飾在晶界上的α-Fe樹枝狀細胞為特征。LPBF制造的316L不銹鋼顯示出更細的等軸晶粒，這在不影響延展性的情況下產(chǎn)生了優(yōu)異的機械性能。圖27a為316L SS LPBF過程中形成的不同長度尺度的典型微觀結(jié)構(gòu)示意圖。Wang等人認為，這種綜合性能是由凝固胞、低角度晶界和高角度晶界、位錯和氧化物夾雜物組成的微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性（圖27b–h）。

圖27 LPBF 316L SS典型微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

LPBF處理的17-4 PH鋼顯示出高比例的奧氏體相，甚至完全奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。Facchini等人報道，17–4 PH不銹鋼的LPBF含有72%的奧氏體和28%的馬氏體。此外，少量富鈮碳化物的存在尚不確定。TEM研究證實馬氏體圓盤之間存在殘余奧氏體。17-4 PH鋼（包括奧氏體鋼、馬氏體鋼和鐵素體鋼）的LPBF工藝通常在⟨001⟩ 沿建筑方向?qū)�齊的方向（z軸）。

4.2.磨損和表面紋理特征

由于LPBF過程經(jīng)歷了復(fù)雜的熱物理機制，導致表面粗糙度增加。LPBF零件表面出現(xiàn)缺陷和表面粗糙度，如熱裂紋、飛濺、未熔化/部分熔化、波紋效應(yīng)、階梯效應(yīng)、表面和亞表面孔隙、凹入特征等，這些都是導致不良表面光潔度或表面紋理的原因。目前，很難將LPBF加工零件的磨損和表面紋理特征與實際應(yīng)用聯(lián)系起來。然而，為了將LPBF應(yīng)用擴展到摩擦副，研究不同接觸條件下鋼的LPBF工藝的磨損性能至關(guān)重要。

磨損是指材料從接觸面上的損失或位移。LPBF處理鋼的磨損率與孔隙率的體積百分比呈線性關(guān)系。對于存在孔隙的低密度LPBF工藝鋼，報告的磨損率比散裝鋼高6–17%（見圖28）。如果LPBF建造的鋼組件完全致密且表面缺陷數(shù)量最少，則確實有可能實現(xiàn)與傳統(tǒng)鋼相同或更好的耐磨性。

圖28 120 rpm、10 N（a）bulk 316L和（b）LPBF 316L（175 mm/s，150 W）樣品干磨損試驗條件下的磨損率比較。（a）中的“O”標記表示摩擦氧化膜。

表面粗糙度在決定LPBF加工鋼部件的機械、摩擦學和功能性能方面起著關(guān)鍵作用。表面紋理是指表面上存在的幾何不規(guī)則性，不包括影響表面形狀或形狀的幾何缺陷。LPBF構(gòu)建的包含表面粗糙度和其他顆粒特征的表面通常通過使用3D光學輪廓儀和X射線計算機斷層掃描（XCT）進行表征，從而允許將捕獲的數(shù)據(jù)用于3D表面紋理表征。水平建造的LPBF部件受成球、波紋效應(yīng)、飛濺的影響，而樓梯（階梯）效應(yīng)、未熔化/部分熔化的顆粒與LPBF加工部件的彎曲或傾斜表面相連（見圖29a和b）。通過自適應(yīng)減小熔體軌道層之間的層厚，可以最小化階梯效應(yīng)。

圖29 （a）顯示階梯效應(yīng)的Alicona G4圖像，（b）顯示未熔化/部分熔化粉末粘附在臺階邊緣的斜面SEM圖像。

由于粉末未充分熔化，能量密度較低會導致破碎、粗糙和分散的多孔磨損表面出現(xiàn)裂紋。同樣，過高的能量密度會導致熱飛濺物噴出，并在LPBF處理的零件表面重新沉積，從而導致較高的表面粗糙度。除了采用激光重熔和合適的后處理方法外，通過選擇優(yōu)化的LPBF工藝參數(shù)，包括較小的層厚，可以提高耐磨性和表面光潔度。通過采用化學磨料流拋光技術(shù)，可以消除內(nèi)表面上部分熔化的粉末顆粒，同時可以顯著改善表面光潔度和紋理（至少45%Ra值）。此外，在馬氏體時效鋼的LPBF過程中，碳化鎢的強化導致形成了一層薄的碳化物層，這將磨損率顯著降低了1500倍以上。

來源：A comprehensive review on laser powder bed fusion of steels: Processing, microstructure, defects and control methods, mechanical properties, current challenges and future trends, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.033

參考文獻：A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing, Renew Sustain Energy Rev, 50 (2015), pp. 594-614