頂刊《Acta Materialia》：激光增材制造中粉末氧化對缺陷形成的影響

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文研究了LAM過程中粉末氧化對熔池動力學(xué)和缺陷形成的影響。

了解原始、儲存和重復(fù)使用粉末的激光增材制造（LAM）過程中的缺陷形成對于生產(chǎn)高質(zhì)量的增材制造零件至關(guān)重要。本文研究了LAM過程中粉末氧化對熔池動力學(xué)和缺陷形成的影響。在LAM期間，粉末氧化物被夾帶到熔池中，將Marangoni對流從向內(nèi)的離心流改變?yōu)橄蛲獾南蛐牧�。假設(shè)氧化物促進(jìn)孔隙成核、穩(wěn)定和生長。我們觀察到，與逐層條件相比，在懸垂條件下飛濺更頻繁。液滴飛濺可通過間接激光驅(qū)動的氣體膨脹和熔體表面的激光誘導(dǎo)金屬蒸汽形成。在逐層建造條件下，激光再熔化通過促進(jìn)氣體從鎖孔釋放或通過誘導(dǎo)液體流動（部分或完全填充預(yù)先存在的孔隙）來減小孔徑分布和數(shù)量密度。我們還觀察到，在激光再熔化過程中，位于軌道表面的孔可能會破裂，導(dǎo)致形成液滴飛濺和開放孔，或通過Marangoni流愈合孔。這項研究證實，粉末原料中過量的氧氣可能會導(dǎo)致LAM中的缺陷形成。

圖形摘要：使用具有原位和操作性X射線成像的激光增材制造工藝復(fù)制器（a）允許在激光-物質(zhì)相互作用期間捕獲（b）孔隙和（c）飛濺物的形成。此外，我們進(jìn)行了post mortemX射線計算機斷層掃描分析（d），揭示了熔體軌跡內(nèi)的兩種類型的孔隙：（i）開放孔隙和（ii）封閉孔隙。

1介紹

激光增材制造（LAM）使用聚焦激光束逐層選擇性地將粉末顆粒融合在一起，以構(gòu)建復(fù)雜的3D物體。它在航空航天、核聚變和儲能應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的前景；然而，LAM技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用受到了部件性能不一致的阻礙。具體而言，由于殘余應(yīng)力的累積和缺陷（如孔隙率、球化和裂紋）的存在，增材制造部件的機械、熱和電性能低于鍛造部件。

用于噴氣發(fā)動機的鎳基高溫合金（Inconel 718）渦輪葉片，通過直接激光金屬燒結(jié)（一種金屬增材制造（MAM）形式）生產(chǎn)。

MAM技術(shù)使得從粉末或線材原料逐層構(gòu)建零件成為可能（圖1）。激光或電子束或等離子弧通常用于選擇性地將原料熔化在一起（根據(jù)計算機生成的設(shè)計文件），允許通過連續(xù)光柵化光束和補充原料來構(gòu)建零件3.與傳統(tǒng)方法相比，該工藝具有多種優(yōu)勢，包括能夠生產(chǎn)空心和輕質(zhì)零件、具有傳統(tǒng)無法生產(chǎn)的幾何形狀的零件以及在現(xiàn)場進(jìn)行維修的能力。與傳統(tǒng)的金屬加工相比，MAM的一個特別優(yōu)勢是可以在短時間內(nèi)以更少的財務(wù)投資生產(chǎn)非常小批量的零件（與必須制造昂貴模具的鑄造相比），使其成為小批量或一次性零件和快速原型制作的理想選擇。這些優(yōu)勢使MAM在廣泛的行業(yè)中具有吸引力，包括生物醫(yī)學(xué)工程，運輸和國防。

盡管計算機模擬可以提供對增材制造（AM）過程的一些物理理解，但它們需要模型驗證和驗證的實驗數(shù)據(jù)，尤其是關(guān)于熔池和缺陷動力學(xué)的實驗數(shù)據(jù)�？梢允褂冒惭b在AM系統(tǒng)上的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備收集一些數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)形成單層或多層軌道時，這些裝置不能揭示熔融池或熔融軌道內(nèi)部的動態(tài)行為（例如，孔隙率的演變和缺乏熔合缺陷）。

在掃描電子顯微鏡中原位應(yīng)變期間測量的應(yīng)變圖。

比較相同角度的三條曲線之間的速度值，速度在 0.344–0.731 ms 的周期內(nèi)不斷下降。由于重力和摩擦力幾乎是恒定的，粒子速度的降低可能是由于膨脹的金屬蒸氣的衰減引起的。

粉末飛濺和液滴飛濺是LAM中發(fā)現(xiàn)的另外兩個常見缺陷。它們影響AM零件的合成孔隙率和表面光潔度。它們還可能導(dǎo)致粉末床污染、粉末擴散不當(dāng)和AM系統(tǒng)損壞。

在這里，我們的目標(biāo)是找出不同水平的粉末氧化如何影響AM工藝，包括其對熔池動力學(xué)和缺陷形成的影響。為此，我們使用原位和操作性同步輻射X射線成像實時監(jiān)測LAM過程。我們通過研究使用原始和氧化（儲存約1年）的因瓦36粉末原料的LAM來研究粉末氧化的影響。我們的結(jié)果揭示了氧化物如何逆轉(zhuǎn)Marangoni流動，直接影響不同類型缺陷的形成。

2.結(jié)果和討論

氧化粉末的粒度分布為5–70 μm，模式為10 μm（圖1）。插圖SEM圖像顯示了B2被氧化物覆蓋之前的粉末表面（圖1a），然而，它顯示了B1之前的原始粉末的相似形態(tài)和形狀。XRD圖譜（圖1b）與預(yù)期的面心立方γ-（Fe，Ni）相一致。

圖1.因瓦36的粉末特性：（a）粒度分布。插圖：覆蓋在SEM二次電子圖像上的氧EDS圖。（b） XRD圖譜顯示存在γ相。

粉末表面化學(xué)對熔池動力學(xué)的影響尚不清楚，因此我們使用XPS檢查了原始（參考）和氧化殷鋼36粉末的粉末表面。圖2顯示了兩種粉末樣品中Ni 2p、Fe 2p、O 1s和C 1s的高分辨率掃描，顯示了Fe、Ni、FeO、Fe2O3、NiO、Ni（OH）2和不定碳污染物的存在。

圖2 （a–d）原始和（e–h）氧化因瓦36粉末的XPS光譜。

從Ni（圖2a和e）和Fe（圖2b和f）的高分辨率XPS掃描中，金屬、金屬氧化物和金屬氫氧化物的形狀和峰面積百分比非常相似。這表明金屬氧化物/氫氧化物在粉末加工過程中很容易形成，包括在粉末包裝和粉末轉(zhuǎn)移過程中。在LAM期間，金屬氫氧化物很可能會熱分解成金屬氧化物，然后釋放到熔池中。熔池中氧化鐵和氧化鎳的存在會使其表面張力的溫度系數(shù)從負(fù)變?yōu)檎�，�?dǎo)致馬蘭戈尼對流逆轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向心對流。

2.1.原始和氧化Invar 36粉末的LAM

原始粉末熔體軌跡演變的初始、中間和最終階段如圖3a所示。高功率密度激光束熔化因瓦36粉末顆粒以形成熔池，隨后蒸發(fā)熔池的頂表面以形成金屬蒸汽射流。我們假設(shè)金屬蒸汽射流間接加熱激光-物質(zhì)相互作用區(qū)中的氬氣；這兩種效應(yīng)都會促進(jìn)粉末夾帶進(jìn)入熔池、飛濺和軌跡生長。當(dāng)激光束的移動速度超過熔池的生長速度時，它會在熔池軌跡之前產(chǎn)生一個單獨的熔池。

圖3 顯示第一層因瓦36熔體軌跡LAM期間觀察到的熔體特征的時間序列射線照片。

3.2.飛濺演化機制

從使用原始和氧化粉末的單層熔體軌跡實驗中，我們觀察到整個LAM中的粉末噴射和液滴飛濺。我們的結(jié)果表明，激光-熔體軌道相互作用產(chǎn)生了激光誘導(dǎo)的蒸汽射流和垂直于熔體軌道表面的反沖壓力，在產(chǎn)生剝蝕區(qū)的同時噴射粉末（圖3和圖4）。我們推測，剝蝕帶呈倒鐘形，含有高濃度的金屬蒸汽（圖4a）。高溫金屬蒸汽間接加熱周圍的氬氣，在剝蝕區(qū)內(nèi)產(chǎn)生對流或向內(nèi)的氬氣流，促進(jìn)蒸汽驅(qū)動的粉末夾帶，以延長熔體軌跡。

圖4 顯示激光束在熔體軌跡中的位置對飛濺演變的影響的示意圖：（a）當(dāng)激光束位于熔體軌跡上時，粉末飛濺的形成；（b）當(dāng)激光光束位于熔體軌跡之前時，液滴飛濺的形成。

在懸置構(gòu)建期間，熔融軌跡在水平方向上擴展的同時更深地延伸到粉末床中，因為熔融軌跡附近的粉末顆粒通過金屬蒸汽和熱氬氣的組合被去除。激光束將粉末更深地熔化到粉末床中，并在熔化軌跡之前（圖4a），從而降低了熔化軌跡延伸時的生長速度。激光束繼續(xù)移動，最終照射到熔體軌跡前方的粉末上，形成新的熔珠（圖4b）。有時，激光束在第一熔珠之前移動，在生長第一熔珠的同時形成另一熔珠，因為激光束輪廓足夠?qū)捯耘c熔珠和兩個熔珠之間的粉末相互作用。

圖5a顯示了飛濺尺寸和速度之間的正相關(guān)性，盡管有非常大的散射。

圖5 原始和氧化粉末的LAM飛濺分析，分為三類：一.僅粉末飛濺；二、粉末飛濺/團(tuán)聚+液滴飛濺；三、僅液滴飛濺。（a）飛濺尺寸和速度，以及（b）每種類型的飛濺形態(tài)。

圖5b說明了LAM期間的不同飛濺形態(tài)。對于原始粉末，飛濺物在所有尺寸類別中大致呈球形。對于氧化粉末，I類和II類飛濺物形狀不規(guī)則，由團(tuán)聚粉末形成。似乎阻礙了向球形液滴的粗化，說明氧化物在化學(xué)和/或物理上不同。III類飛濺物主要由表面被團(tuán)聚粉末覆蓋的液滴飛濺物組成。證據(jù)清楚地表明，粉末氧化強烈影響粉末團(tuán)聚、孔隙形成和孔隙穩(wěn)定。

光學(xué)圖像顯示了飛濺物對AlSi10Mg樣品中缺陷形成的影響。

為了研究飛濺對零件質(zhì)量的影響，在原位X射線成像實驗后，用光學(xué)顯微鏡對AlSi10Mg樣品上的激光單次掃描軌跡進(jìn)行了表征。樣品上的松散粉末在拍攝光學(xué)圖像之前被壓縮空氣吹走。軌道的頂視圖和側(cè)視圖分別顯示在上圖（a）和 （b） 中。觀察到一些顆粒在軌道上燒結(jié)。一種典型的殘留顆粒類型是凝固的液體飛濺物，如紅色圓圈所示。液體飛濺的尺寸可以比原粉的尺寸大得多。當(dāng)一些冷顆粒飛濺（與生粉大小相同）進(jìn)入激光束區(qū)域時，顆粒可以熔化成小液滴。大液體飛濺可以通過小液滴的碰撞形成。凝固的大飛濺物會導(dǎo)致竣工零件出現(xiàn)缺陷，因為（1）飛濺物可能攜帶高水平的氧含量，從而減少基材的潤濕。（2）在激光掃描過程中，大飛濺物可能無法完全熔化，從而成為孔隙生成的潛在部位。

3.3.熔池動力學(xué)對孔隙破裂的作用

在原始粉末研究中，在本研究中使用的加工條件下，孔隙破裂不明顯。然而，Leung等證明，孔破裂在凝固過程中通過孔聚結(jié)和孔遷移發(fā)生。

在氧化粉末研究中，我們揭示了第二層熔體軌跡的LAM過程中的不同破孔機制，如圖6所示。激光束形成小孔，穿透第二粉末層并重新熔化第一層熔體軌跡的頂面（圖6a）。激光再熔化促進(jìn)了熔池中的孔隙傳輸，允許氣孔通過鎖孔逸出到大氣中，類似的觀察結(jié)果顯示在第一層熔體軌跡和圖3b中。為了進(jìn)行氣體夾帶，這些氣孔必須位于約距離粉末床表面1 mm（基于我們的設(shè)置）。

圖6：時間序列射線照片，顯示了氧化粉末（P=150）的第二層因瓦36熔體軌跡。

圖6b揭示了LAM期間開孔形成的新機制。7 ms時，激光重新熔化第一層熔化軌道的表面并形成液橋（由紫色虛線表示）。介于10和34.8 ms之間 ，激光束使液橋的尺寸增加一倍，同時加速其內(nèi)部熔體流動，從而促進(jìn)孔的聚結(jié)、生長和傳輸。通過34.8 ms，Marangoni驅(qū)動的氣流向液橋兩端夾帶氣孔，顯著削弱其結(jié)構(gòu)完整性。激光束會提高氣孔周圍材料的溫度，加熱氣孔（見紅色虛線箭頭），并按比例擴大氣孔的體積。一旦氣體壓力超過液橋的表面張力，液橋就會破裂（35 ms），并作為液態(tài)金屬流（36 ms），形成液滴飛濺。因此，閉合孔隙破裂打開，在熔體軌道表面留下凹痕或凹坑。

圖7顯示了氧化粉末LAM中第三層熔體軌跡的演變。與第二層熔融軌跡類似，激光束在熔融軌跡前部的開放孔上方熔化粉末，形成暫時封閉孔的液橋。隨著LAM的進(jìn)展，激光束在孔內(nèi)引起間接激光驅(qū)動的氣體膨脹，這克服了液橋的強度，導(dǎo)致孔破裂，隨后形成開放孔和液滴飛濺。這一可重復(fù)的觀察結(jié)果表明，孔破裂是氧化粉末LAM中液滴飛濺和開孔的關(guān)鍵形成機制，可能適用于原始粉末的LAM。

圖7 時間序列射線照片，顯示了150 W的第三層因瓦36熔體軌跡（B2.3）的LAM 。

圖7b揭示了LAM期間的一種新的毛孔愈合機制。激光束穿透第二層和第三層熔體軌跡，打開預(yù)先存在的孔（361 毫秒）。氣體在預(yù)先存在的孔隙內(nèi)徑向膨脹，向上推動液態(tài)金屬（362 毫秒）。隨后，由高表面張力驅(qū)動的液態(tài)金屬回旋回到頂部軌道（由紅色虛線箭頭指示），愈合毛孔。液態(tài)金屬的向內(nèi)流動可能是由馬蘭戈尼對流推動的，與液態(tài)金屬的重量相結(jié)合，導(dǎo)致熔池向上旋轉(zhuǎn)并回落，從而修復(fù)孔隙（361-363 毫秒）。

3.4.熔池幾何形狀和孔隙率的時間分辨量化

使用X射線照片，我們量化了整個LAM中熔體軌跡幾何形狀及其內(nèi)部孔隙度的變化，見圖8。圖8a顯示氧化粉末（L-B2.1）的軌跡長度比原始粉末（L-B1.1）長約20%。這是由于1）降低的表面張力導(dǎo)致熔池進(jìn)一步擴展，2）激光束前方飛濺物增加，使軌跡向粉末床底部延伸。

圖8 LAM期間熔體特征的量化：（a）第一層（B2.1）、第二層（B2.2）和第三層（B2.3）熔體軌跡的長度和深度，以及（b）每個熔體軌跡中孔隙率隨時間的變化。

3.5. Post-mortem3D分析

同步輻射X射線成像裝置的像素分辨率為6.6 μm，這意味著我們無法量化直徑小于約20μm，此外，射線照相分析未考慮X射線束路徑上的孔隙深度。因此，我們進(jìn)行了高分辨率XCT掃描，以檢查由原始粉末和氧化粉末制成的樣品，在3D中可視化和量化形態(tài)和孔徑分布。

圖9a顯示，原始粉末產(chǎn)生的熔體軌跡顯示出0.08%的孔隙率。根據(jù)XCT數(shù)據(jù)的分辨率，熔體軌跡顯示沒有開放孔，但包含一些面積當(dāng)量直徑為10 μm。圖9b顯示，氧化粉末產(chǎn)生的熔體軌跡的總孔隙度為15.1%，其中三分之二（8.6%）為開孔，三分之一（6.5%）為閉孔。

圖9 由（a）原始粉末（B1）和（b）氧化粉末（B2）制成的熔體軌跡的3D體積繪制。（c）它們相應(yīng)的孔徑分布。

調(diào)整層厚度是減少粉末飛濺的有效方法。如下圖所示，蒸汽射流具有倒錐形，該圓錐體更局限于熔池附近，但在遠(yuǎn)離熔池時會膨脹。因此，較薄的粉末床有更好的機會被激光完全熔化，并在蒸汽噴射路徑中留下更少的松散粉末以噴射。

光學(xué)圖像顯示粉末層厚度對增材制造的AlSi10Mg樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響。

通過比較不同層厚度構(gòu)建的AM部件，發(fā)現(xiàn)證據(jù)證實了層厚的影響。兩個AlSi10Mg樣品分別在商用AM機器中制造，層厚分別為50μm和30μm。兩個樣品的橫截面垂直于建筑方向切割。兩個橫截面的光學(xué)圖像如圖上圖（a，b）所示。飛濺引起的孔隙可以在具有較厚層（50μm）的樣品中找到，如圖（a）所示。然而，在具有較薄層（30μm）的樣品中很少發(fā)現(xiàn)飛濺引起的缺陷。兩個樣本的密度也支持上述觀察結(jié)果。50 μm 層樣品的密度為 2.5648 g/cm3，低于 30 μm 層樣品的密度

4.結(jié)論

本研究探討了粉末氧化對熔池動力學(xué)的影響，并揭示了原始粉末和氧化粉末LAM過程中飛濺、孔隙和剝蝕區(qū)的新演化機制。

通過SEM-EDS、IGF-IR和XPS表征了三種類型的粉末，包括B1的原始粉末、B2的氧化粉末和參考原始粉末。氧化粉末由于粉末處理和/或在非理想條件下長期儲存而產(chǎn)生的氧氣而顯示出氧化物層厚度的增加。

我們的結(jié)果證實，熔池潤濕和蒸汽驅(qū)動的粉末夾帶是LAM的關(guān)鍵軌道生長機制。來自氧化粉末的氧含量足以將熔融因瓦36的表面張力的溫度系數(shù)從負(fù)變?yōu)檎�，從而將馬蘭戈尼對流從外向離心流變?yōu)閮?nèi)向向心流。氧化物可作為孔隙形成的成核位點，并隨后穩(wěn)定這些孔隙。

我們發(fā)現(xiàn)了LAM過程中與孔破裂相關(guān)的兩種新現(xiàn)象：（1）通過液體供給促進(jìn)孔愈合和（2）通過液滴飛濺的形成誘導(dǎo)開孔。這表明，熔滴飛濺可以通過熔體軌跡內(nèi)的間接激光驅(qū)動氣體膨脹和熔體表面的激光誘導(dǎo)蒸汽射流形成。

量化結(jié)果和提出的機制表明，通過使用低氧含量的金屬粉末，添加劑制造中的缺陷可以最小化。開孔和液滴飛濺的新形成機制可以增強現(xiàn)有的工藝模擬模型，以預(yù)測這些缺陷。熔體軌跡幾何隨時間的量化可用于校準(zhǔn)模擬模型，以準(zhǔn)確預(yù)測LAM期間的流體流動行為。最后，隨時間變化的孔隙度量化可用于驗證和增強現(xiàn)有工藝模擬，以在逐層構(gòu)建條件下進(jìn)行缺陷預(yù)測。

來源：The effect of powder oxidation on defect formation in laser additive manufacturing, Acta Materialia, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.027

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