美国两校联合顶刊丨激光粉末床熔融增材制造中缩孔的形成机理

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摘要

本文研究了激光粉末床熔融增材制造中缩孔的形成机理。研究发现，缩孔主要由凝固过程中次级枝晶臂的生长驱动，且高冷却速率下向细胞生长的转变可减少孔隙。传统Niyama准则不适用于预测缩孔，而基于凝固冷却速率的方法可作为可靠预测工具。研究提出缩孔率工艺图以指导工艺设计，降低缩孔风险。此外，更高的沉积温度和沉积率可能加剧缩孔形成，强调了采用研究策略的重要性。这些发现为优化增材制造工艺、提高产品质量提供了重要指导。

正文

激光粉末床熔融是一种基于铺粉的先进的增材制造技术，它可以制造出形状复杂的近净型金属零件。然而，尽管采用了优化的工艺参数，研究人员仍然观察到了成型过程中产生的随机缺陷，这种缺陷被认为是“行为失常的”。

缩孔是在金属铸造过程中普遍存在的问题，这主要是由金属在凝固过程的最后阶段发生体积收缩引起的。特别是，当金属冷却从液相线温度到固相线温度的过程中，就可能形成这种缺陷。高速冷却会导致枝晶生长过渡到晶胞生长，这一过程中，金属体积的收缩会导致枝晶或晶胞间液体压力的降低，进而促进空隙的形成。为了防止空隙形成，需要在凝固枝晶间压力降低时提供稳定的液态金属来补偿体积收缩。此外，如果液态金属的流动通道被固化材料堵塞，就会因为液态金属供应不足而形成缩孔。

Graphical abstract

美国卡内基梅隆大学联合匹兹堡大学研究人员研究了激光粉末床熔融增材制造中缩孔的形成机理，相关研究成果以题为 “A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing” 的论文发表在《Acta Materialia》上。

该研究通过微观结构表征和热传递模型分析，提出了一种PBF-LB工艺中缩孔形成的机理解释。研究结果表明，传统的Niyama准则并不适用于预测缩孔的发生。相反，缩孔的形成主要由凝固过程中次级枝晶臂的生长驱动，并且高冷却速率下向细胞生长的转变有助于减少孔隙的形成。这一发现说明，基于凝固冷却速率的方法可以作为一种可靠的预测工具。为了应对实际制造过程中的挑战，该研究提出了一种缩孔率工艺图，以指导工艺设计和控制，直接降低缩孔的风险。此外，该研究还指出，在PBF-LB制造过程中，追求更高的沉积温度和沉积率可能会加剧缩孔的形成，从而强调了采用本研究提出策略的重要性。

图1. 金属凝固过程中缩孔的形成示意图。(a)具有适当的热梯度和冷却速率的枝晶凝固。(b)在过低的热梯度和/或过高的冷却速率下，枝晶之间的流动通道被次级枝晶阻塞。(c-d)背散射电子显微图显示IN718合金PBF-LB样品的收缩孔网络。

图2. PBF-LB熔池图，显示固液温度与液相温度之间凝固前沿厚度d变化引起的热梯度G变化。TEvaluation是计算热梯度和冷却速率的温度。

图3. 收缩孔隙率随工艺参数的变化规律。(a)背散射电子显微图显示，285W、1000 mm/s样品的孔隙率随着沉积温度的升高而恶化。箭头指向显微照片中发现的收缩孔。面积分数表示显微照片中含有收缩孔的百分比。(b)顶层重熔深度以下的缩孔在成品件中成为永久性的缩孔。(c) 393 K(左)和703 K(右)沉积温度下的激光功率和扫描速度与孔隙率的关系图。熔池深度表明了在沉积温度从393K（左）升至703K（右）时，为保持恒定的几何形状所需的参数变化。