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金屬3D打印材料的性能受一系列工藝參數(shù)和物理現(xiàn)象的控制，如激光掃描策略、粉末質(zhì)量、鋪送粉方式以及在粘結(jié)劑噴射工藝中與之相關(guān)的粘結(jié)劑特性和構(gòu)建平臺(tái)溫度等。此外，零件設(shè)計(jì)、打印方向和支撐結(jié)構(gòu)也會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，包括缺陷（如孔隙和未熔合）、殘余應(yīng)力和表面質(zhì)量。除了微觀結(jié)構(gòu)之外，這些因素還會(huì)顯著影響材料的機(jī)械性能，尤其是零件的服役疲勞性能。本文介紹的重點(diǎn)是幾種工藝條件下常見(jiàn)的過(guò)程屬性。

 

1. 缺陷

 

ASTM E3166將增材制造缺陷描述為孔隙（可能是孤立的或在靠近表面的簇狀或深層嵌入）、未熔合（可能在層之間或跨層）、起止誤差、夾雜、層移、熔化不足或過(guò)熔。這些缺陷通常會(huì)導(dǎo)致密度降低，但是，它們也可能以裂紋的形式存在。當(dāng)使用最佳工藝參數(shù)組合時(shí)，當(dāng)前的3D打印技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.9% 的密度。例如，對(duì)于Inconel 625合金，采用SLM技術(shù)制備的零件孔隙率水平可以小于0.12%，采用DED技術(shù)可以小于0.01%，即使在BJ（粘結(jié)劑噴射）工藝條件下，孔隙率的水平也可以達(dá)到1%。在DED工藝中獲得的更高密度歸因于更大的熔池寬度、層厚以及更小的熱源速度。在BJ工藝中，零件的最終密度直接取決于生坯階段的填充密度，粉末質(zhì)量不佳和燒結(jié)工藝不匹配也會(huì)導(dǎo)致孔隙產(chǎn)生；值得注意的是，BJ工藝存在密度和收縮率之間的折衷，當(dāng)高密度零件是最高要求指標(biāo)時(shí)，使用更高的溫度和更長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間，可以獲得接近完全致密的零件，但尺寸收縮也會(huì)越嚴(yán)重。

 

許多研究旨在優(yōu)化工藝參數(shù)，例如熱源特性、掃描策略、層厚度和零件方向，以實(shí)現(xiàn)盡可能高的密度和最小的缺陷尺寸。粉末材料的能量輸入和熔化之間存在復(fù)雜的平衡；能量不足會(huì)導(dǎo)致粉末部分熔化，從而形成“未熔合”和“未熔化粉末顆粒”型缺陷。相反，過(guò)多的能量輸入會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的熔池，這會(huì)導(dǎo)致飛濺和汽化，從而形成夾帶氣體和小孔型缺陷. 非最佳參數(shù)還可能導(dǎo)致形成不連續(xù)軌跡、較弱的層間結(jié)合甚至分層。

 

缺陷在循環(huán)載荷條件下會(huì)成為裂紋萌生點(diǎn)，因此對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。缺陷大小、形狀和位置起著至關(guān)重要的作用，使用密度作為單一材料參數(shù)是不夠的。因此需要完整評(píng)估缺陷對(duì)3D打印合金疲勞壽命的影響。

 

采用SLM制造的Ti6Al4V的缺陷縱橫比與球形度

 

上圖總結(jié)了SLM制造的316L不銹鋼中觀察到的缺陷形態(tài)。描述缺陷屬性的三個(gè)關(guān)鍵特征是球形度（或圓形度）、縱橫比和尺寸（直徑）。球形度是對(duì)缺陷不規(guī)則性或與完美球形的偏差的度量，并被視為球體的表面積與缺陷（具有相同體積）的表面積之比。圓度是球形度的二維對(duì)應(yīng)物，是缺陷的橫截面積與其周長(zhǎng)的平方之比?？v橫比是缺陷的最小尺寸與最大尺寸的比值，它是使用圍繞缺陷的邊界框計(jì)算得出的，以解決高度不規(guī)則形狀的缺陷形狀衡量問(wèn)題。孔徑，通常是指其最大尺寸。

 

大多數(shù)氣體缺陷接近球形，因此具有高球形度和高縱橫比。另一方面，未熔合缺陷形狀不規(guī)則，邊緣鋒利。它們中可能含有未熔化的粉末顆粒，并且通常具有低球形度和縱橫比。氣體缺陷的大小通常與熔池大小相關(guān)，通常，SLM相比EBM和DED工藝導(dǎo)致的缺陷尺寸更小。未熔合缺陷的大小通常與填充間距的大小相關(guān)，它們的尺寸可以達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)，球度和縱橫比非常低。因此，未熔合缺陷被認(rèn)為是導(dǎo)致粉末床打印和DED工藝疲勞失效的主要因素。在BJ工藝中，缺陷尺寸明顯較小且具有高縱橫比。

 

 

SLM打印的Ti6Al4V 樣品重建顯微 CT 圖像的頂視圖，層厚30 µm，掃描間距 140 µm (a) 掃描旋轉(zhuǎn)90° 和 (b) 67 °, (c) 直方圖顯示了SLM工藝過(guò)程中使用的四種不同工藝參數(shù)組合的缺陷尺寸分布

 

研究發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)組合對(duì)SLM制造的Ti6Al4V孔隙率分布有影響。重建的顯微 CT圖像顯示缺陷尺寸和分布對(duì)所使用的工藝參數(shù)很敏感。雖然在使用90° 掃描旋轉(zhuǎn)時(shí)觀察到缺陷在構(gòu)建方向上對(duì)齊，但它們?cè)?7°掃描旋轉(zhuǎn)時(shí)隨機(jī)分布，即使在這兩種情況下體積能量密度相似。研究人員將此現(xiàn)象歸因于馬蘭戈尼對(duì)流和瑞利不穩(wěn)定性的綜合效應(yīng)，通過(guò)采用67°掃描旋轉(zhuǎn)或通過(guò)減小掃描間距可確保相鄰熔池之間的更大重疊，從而顯著降低較大缺陷產(chǎn)生的頻率。

 

2. 表面粗糙度

 

逐層制造工藝與附著在表面的半熔融顆粒相結(jié)合，以及亞表面和表面連接缺陷的存在導(dǎo)致3D打印金屬材料部件的表面非常粗糙。表面粗糙度受工藝類型和使用的參數(shù)、粉末尺寸、層厚度、零件幾何形狀以及表面相對(duì)于構(gòu)建方向的影響。例如，以傾斜角度分層會(huì)產(chǎn)生具有“階梯”形態(tài)的表面，其斜率或曲率與每層的位置近似。此外，熱源相對(duì)于構(gòu)建平臺(tái)的方向，朝上和朝下的側(cè)面會(huì)導(dǎo)致不同的表面形態(tài)；與朝上的側(cè)面相比，朝下的側(cè)面的粗糙度明顯更高。例如，在SLM工藝中，朝下的側(cè)面建立在松散的粉末或支撐結(jié)構(gòu)上，因此會(huì)導(dǎo)致明顯的粗糙度特征。

 

 (a) SLM打印的 Ti6Al4V SEM 圖像；(b) EBM打印的 Ti6Al4V SEM 圖像；(c) (a) 樣本的的顯微CT掃描圖像 (d)SLM打印的Ti6Al4V 分辨率為 1.5 μm 的同步輻射顯微斷層掃描

 

通常，基于激光的增材制造工藝所獲得零件表面粗糙度要優(yōu)于電子束增材制造 工藝，而粘結(jié)劑噴射技術(shù)所獲得的零件表面粗糙度比基于激光的工藝更低，這是因?yàn)楦吣軣嵩词狗勰┰诹慵吘墴Y(jié)極易形成衛(wèi)星球?qū)е隆?/span>

 

雖然在某些情況下，高表面粗糙度可能是有益的，例如通過(guò)粗糙表面可促進(jìn)骨整合，但其影響已被證明會(huì)對(duì)部件的疲勞性能產(chǎn)生不利和嚴(yán)重的影響。與孔隙率一樣，表面的畸變導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而造成局部塑性變形，并促進(jìn)早期疲勞裂紋萌生。有研究指出，由SLM制造的Ti6Al4V由表面粗糙引起的應(yīng)力集中可導(dǎo)致等效應(yīng)用von Mises應(yīng)力放大15倍，而最有害的表面特征是近表面缺陷和表面缺口，這表明粘附的粉末與機(jī)械響應(yīng)無(wú)關(guān)；采用SLM制造的AlSi10Mg的打印取向也會(huì)對(duì)疲勞性能產(chǎn)生影響，具有向上表面的試樣比具有向下表面的試樣表現(xiàn)出明顯更好的疲勞性能，其中包括缺口狀特征；另有研究表明，粗糙表面在3D打印試樣裂紋萌生中起主導(dǎo)作用，而內(nèi)部裂紋在機(jī)加工試樣中起重要作用。

 

3. 殘余應(yīng)力

 

采用BJ工藝制造的零件幾乎無(wú)需考慮殘余應(yīng)力的影響，而粉末床和DED 工藝則受到高殘余應(yīng)力的困擾，而且由于它們通常在構(gòu)建部件的不同位置之間經(jīng)常發(fā)生顯著變化，使這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致原位開(kāi)裂、分層、零件翹曲和潛在的構(gòu)建失敗。如此高的殘余應(yīng)力是這些過(guò)程固有的局部熱輸入和快速冷卻的結(jié)果。局部區(qū)域在被高能束快速加熱時(shí)的膨脹被相鄰材料抑制，這通常會(huì)導(dǎo)致壓縮塑性應(yīng)變。隨后已凝固部分的快速冷卻和相關(guān)的收縮導(dǎo)致高拉伸應(yīng)力。加熱和冷卻循環(huán)的局部特性也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建部件的體積產(chǎn)生高度不規(guī)則的殘余應(yīng)力場(chǎng)。

 

對(duì)DED 工藝制造的316L進(jìn)行測(cè)量表明，其殘余應(yīng)力約為合金屈服強(qiáng)度的 50-80%。采用SLM制造的Ti6Al4V和 Inconel 718具有類似的情況。這些應(yīng)力沿構(gòu)建方向的幅度最高，在零件中心受壓，在外部自由表面拉伸，并且在構(gòu)建平臺(tái)界面附近更集中。然而，如果對(duì)構(gòu)建平臺(tái)進(jìn)行加熱，殘余應(yīng)力則可以減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

SLM打印的鎢的裂紋網(wǎng)絡(luò)，顯示了兩種導(dǎo)致不同熔池尺寸的激光掃描策略：（a）中為淺熔池，（b）中為深熔池，黑色箭頭表示橫向裂紋

 

殘余應(yīng)力的大小隨著掃描線長(zhǎng)度的增加而增加?？紤]到這一點(diǎn)，減少制造過(guò)程中應(yīng)力積累的最常見(jiàn)方法是實(shí)施合理的掃描策略，將一層劃分為更小的“島”或“條”，從而減少最長(zhǎng)的不間斷行進(jìn)線。粉末床工藝主要通過(guò)在每一層之后旋轉(zhuǎn)熱源的掃描方向來(lái)處理應(yīng)力累積。層高也被證明直接影響應(yīng)力分布；與較厚的層相比，層厚越小會(huì)導(dǎo)致更高的應(yīng)力梯度。由于殘余應(yīng)力累積取決于每一層，因此整體應(yīng)力水平取決于零件尺寸。有研究已經(jīng)表明， SLM打印的較高和較窄的 Ti6Al4V 試樣具有更高的拉伸殘余應(yīng)力，并且從表面滲透得更深（深達(dá) 250 微米），而在較大的部件中它們通常更小、更淺（50 微米）。

 

高殘余應(yīng)力的影響在制造和使用過(guò)程中都會(huì)造成問(wèn)題。在硬質(zhì)合金中經(jīng)?？捎^察到沿熔池路徑形成的小裂紋，例如鎳基高溫合金和鎢，在層間或應(yīng)力集中附近（如支撐結(jié)構(gòu)）具有更嚴(yán)重的分層類型缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，較大的部件中顯著的拉應(yīng)力累積會(huì)導(dǎo)致零件從支撐結(jié)構(gòu)或從構(gòu)建平臺(tái)上的脫離。由于零件變形，尺寸公差也受到顯著影響。殘余應(yīng)力在疲勞過(guò)程中將作為額外的裂紋驅(qū)動(dòng)力，從而促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。

 

4. 后處理改善與工藝相關(guān)的材料特性

 

在3D打印完成后，需要若干后處理步驟才能用于最終應(yīng)用，尤其是需要采用額外的后處理處理來(lái)改善與工藝相關(guān)的特性，包括熱處理改善微觀結(jié)構(gòu)、減輕殘余應(yīng)力，熱等靜壓(HIP)減少孔隙率，以及某種形式的表面精加工工藝以實(shí)現(xiàn)所需的表面質(zhì)量和幾何公差。

 

熱處理通常用于3D打印的Ti6Al4V、不銹鋼、鎳基高溫合金和鋁合金。SLM 和 DED 部件通常在從構(gòu)建平臺(tái)上切割之前進(jìn)行應(yīng)力釋放，以限制與幾何公差要求的偏差。去應(yīng)力退火需要在足夠高的溫度下進(jìn)行，但需要抑制再結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)。較高溫度的退火通常會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大、晶粒取向發(fā)生變化，并且可以促進(jìn)更等軸微觀結(jié)構(gòu)的形成。這通常伴隨著強(qiáng)度的降低、延展性的增加以及各向異性的降低（這可能是可取的，因?yàn)?D打印的金屬材料通常包含柱狀、定向的微觀結(jié)構(gòu)）。不過(guò)，更高的熱處理溫度并不能提高密度和表面光潔度。

 

SLM制造的鎳基高溫合金三維可視化和代表性橫截面透視圖像：（a）LPBF，（b）HIP和（c）HIP+SSHT

 

熱等靜壓是一種普遍推薦的工藝，用于減少零件的孔隙率。目前已經(jīng)證明該工藝可以消除SLM制造的鎳基高溫合金Ti6Al4V零件內(nèi)部的缺陷和裂紋。此外，它還可以消除殘余應(yīng)力。然而研究表明，雖然內(nèi)部缺陷會(huì)在熱等靜壓期間閉合，但表面和近表面缺陷不受影響。在某些情況下，該工藝可能會(huì)通過(guò)顯著的晶粒生長(zhǎng)改變材料的晶粒結(jié)構(gòu)。

 

3D打印的燃燒室在進(jìn)行熱等靜壓

 

提高3D打印零件表面質(zhì)量最常用的方法是使用標(biāo)準(zhǔn)工藝（如銑削和車削）進(jìn)行加工。此外，振動(dòng)研磨、化學(xué)拋光、電解拋光、表面機(jī)械磨損處理和超聲波納米晶體表面改性，以及簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)工具拋光或用砂帶打磨機(jī)打磨也有助于改善表面質(zhì)量。噴砂也被推薦為一種表面精加工技術(shù)，雖然它不一定會(huì)顯著改善表面粗糙度，但材料表面的機(jī)械加工會(huì)引起壓縮殘余應(yīng)力，從而顯著提高疲勞壽命。

 

 

電解拋光的醫(yī)療植入物

 

增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件磨粒流拋光效果

 

 

END

 

影響3D打印零件疲勞性能的因素可歸納為殘余應(yīng)力、表面粗糙度、內(nèi)部缺陷、各向異性和微觀結(jié)構(gòu)不均勻性。

 

減少缺陷、提高材料的疲勞性能，不僅要從工藝上盡量減少缺陷的產(chǎn)生，熱處理和機(jī)械處理也要進(jìn)一步通過(guò)減少缺陷、消除殘余應(yīng)力、改變微觀結(jié)構(gòu)和改善表面質(zhì)量來(lái)影響零件的疲勞性能。