激光粉末床熔融是一種基于鋪粉的先進(jìn)的增材制造技術(shù)，它可以制造出形狀復(fù)雜的近凈型金屬零件。然而，盡管采用了優(yōu)化的工藝參數(shù)，研究人員仍然觀察到了成型過程中產(chǎn)生的隨機(jī)缺陷，這種缺陷被認(rèn)為是“行為失常的”。

縮孔是在金屬鑄造過程中普遍存在的問題，這主要是由金屬在凝固過程的最后階段發(fā)生體積收縮引起的。特別是，當(dāng)金屬冷卻從液相線溫度到固相線溫度的過程中，就可能形成這種缺陷。高速冷卻會導(dǎo)致枝晶生長過渡到晶胞生長，這一過程中，金屬體積的收縮會導(dǎo)致枝晶或晶胞間液體壓力的降低，進(jìn)而促進(jìn)空隙的形成。為了防止空隙形成，需要在凝固枝晶間壓力降低時(shí)提供穩(wěn)定的液態(tài)金屬來補(bǔ)償體積收縮。此外，如果液態(tài)金屬的流動通道被固化材料堵塞，就會因?yàn)橐簯B(tài)金屬供應(yīng)不足而形成縮孔。

Graphical abstract

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)聯(lián)合匹茲堡大學(xué)研究人員研究了激光粉末床熔融增材制造中縮孔的形成機(jī)理，相關(guān)研究成果以題為 “A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing” 的論文發(fā)表在《Acta Materialia》上。

該研究通過微觀結(jié)構(gòu)表征和熱傳遞模型分析，提出了一種PBF-LB工藝中縮孔形成的機(jī)理解釋。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的Niyama準(zhǔn)則并不適用于預(yù)測縮孔的發(fā)生。相反，縮孔的形成主要由凝固過程中次級枝晶臂的生長驅(qū)動，并且高冷卻速率下向細(xì)胞生長的轉(zhuǎn)變有助于減少孔隙的形成。這一發(fā)現(xiàn)說明，基于凝固冷卻速率的方法可以作為一種可靠的預(yù)測工具。為了應(yīng)對實(shí)際制造過程中的挑戰(zhàn)，該研究提出了一種縮孔率工藝圖，以指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)和控制，直接降低縮孔的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該研究還指出，在PBF-LB制造過程中，追求更高的沉積溫度和沉積率可能會加劇縮孔的形成，從而強(qiáng)調(diào)了采用本研究提出策略的重要性。

圖1. 金屬凝固過程中縮孔的形成示意圖。(a)具有適當(dāng)?shù)臒崽荻群屠鋮s速率的枝晶凝固。(b)在過低的熱梯度和/或過高的冷卻速率下，枝晶之間的流動通道被次級枝晶阻塞。(c-d)背散射電子顯微圖顯示IN718合金PBF-LB樣品的收縮孔網(wǎng)絡(luò)。

圖2. PBF-LB熔池圖，顯示固液溫度與液相溫度之間凝固前沿厚度d變化引起的熱梯度G變化。TEvaluation是計(jì)算熱梯度和冷卻速率的溫度。

圖3. 收縮孔隙率隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律。(a)背散射電子顯微圖顯示，285W、1000 mm/s樣品的孔隙率隨著沉積溫度的升高而惡化。箭頭指向顯微照片中發(fā)現(xiàn)的收縮孔。面積分?jǐn)?shù)表示顯微照片中含有收縮孔的百分比。(b)頂層重熔深度以下的縮孔在成品件中成為永久性的縮孔。(c) 393 K(左)和703 K(右)沉積溫度下的激光功率和掃描速度與孔隙率的關(guān)系圖。熔池深度表明了在沉積溫度從393K（左）升至703K（右）時(shí)，為保持恒定的幾何形狀所需的參數(shù)變化。

圖4. 凝固過程中不同的冷卻速率(Ṫ)、熱梯度(G)和Niyama標(biāo)準(zhǔn)( Ny )下對高于固相線溫度的熔池尾部的最大收縮孔深度的影響圖。

圖5. 傳導(dǎo)模式和匙孔模式下熔池橫截面圖。t0，t1，t2，t3表示凝固過程中凝固界面在不同時(shí)間步長的位置。在鑰匙孔模式熔池的示例顯微照片中，凝固生長方向發(fā)生了變化，相應(yīng)的收縮孔的取向也發(fā)生了變化。

轉(zhuǎn)自：增材制造碩博聯(lián)盟

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