激光增材制造（LAM）的冶金學方面綜述：不鏽鋼，鎳高溫合金和钛合金（1）

摘要

增材制造（AM），同樣被稱爲3D打印，是一(yī)個備受關注的領域，已被公認爲是一(yī)種以逐層方法生(shēng)産工(gōng)程組件的先進工(gōng)藝。它既爲現有設計提供了替代的制造路線，又(yòu)支持了使用傳統技術無法實現的複雜(zá)性的新設計。在不同的AM加工(gōng)路線中(zhōng)，激光增材制造（LAM）是令人鼓舞的增材制造手段之一(yī)，因爲它具有以低成本、高質量和高生(shēng)産率制造産品的潛力。考慮到在這個新的和令人興奮的領域正在進行許多研究，這篇綜述論文論證了目前的技術水平，并考慮了未來研究的新途徑。它探索了LAM過程中(zhōng)的關鍵冶金現象，以及不同LAM技術路線在粉末床熔合（PBF）或定向能沉積（DED）方面的差異，涉及不同形式的粉末床，粉末進料和送絲組裝。重點介紹了各種實際應用的先進和高适用材料的微觀結構、功能和機械性能，包括不鏽鋼、鎳基和高溫合金、钛基合金和金屬基複合材料（MMC），以及不同預處理和後處理特性的影響。下(xià)文将對現場進行評估；強調了科學理解上的差距，這可能會限制金屬零件設計用LAM技術的發展

1.介紹

美國材料與試驗學會（ASTM）将加性制造（AM）定義爲“一(yī)種将材料連接起來，從3D模型數據中(zhōng)制造物(wù)體(tǐ)的過程，通常是一(yī)層接一(yī)層的過程，與減法制造方法相反”。在文獻中(zhōng)也可稱爲3D打印、快速原型和直接數字制造。根據這個定義，所有類别的材料都可以通過AM處理，包括陶瓷、金屬、複合材料、聚合物(wù)和有機結構。AM作爲一(yī)種加工(gōng)材料的方法已經使用了20多年，盡管最初它僅限于多孔結構的快速成型。随着時間的推移，這項技術得到了改進，生(shēng)産出的零件具有可接受的密度和質量，可用于現場應用。最近，它正在發展成爲一(yī)種重要的商(shāng)業生(shēng)産技術，能夠用多種材料制造可靠且緻密的零件，包括鋼、鎳基合金、钛基合金、金屬基複合材料。AM技術可根據進給系統（粉末床、粉末進給和線進給）以及能源（激光束、電(diàn)子束、電(diàn)弧、等離(lí)子體(tǐ)等）和材料（金屬、陶瓷、聚合物(wù)、複合材料等）等進行分(fēn)類。

增材攪拌摩擦法制造成分(fēn)梯度變化的複合材料。

圖在上圖中(zhōng)，清楚地展示了通過FSP方法處理FGM的不同步驟。如圖所示，通過加工(gōng)具有不同深度的後續不同凹槽，在凹槽内預放(fàng)置不同粉末，并使用具有不同長度銷的不同工(gōng)具，一(yī)個化學成分(fēn)梯度轉變的攪拌區域逐步産生(shēng)，而在不同步驟中(zhōng)加工(gōng)的初始闆的厚度沒有任何變化。此外(wài)，通過改變凹槽的寬度，可以在每層的每個步驟中(zhōng)控制增強劑的體(tǐ)積分(fēn)數。在這種預先放(fàng)置粉末的闆材系統上完成多道次重疊FSP工(gōng)藝，可以使夾雜(zá)物(wù)均勻分(fēn)散，原位生(shēng)成新相，并強化緻密化和顯著的晶粒結構細化。這一(yī)過程類似于一(yī)種增材制造，通過層層改變化學和顆粒結構來達到産品的最終狀态。因此，可以将其歸類爲AFSM技術生(shēng)産功能梯度材料的發展路線。

金屬部件的AM可被視爲傳統制造工(gōng)具的高級組合，例如粉末冶金，以及分(fēn)别在粉末制備和處理，熔融區形成和熔覆層堆疊方面的焊接和連接。雖然利用這些知(zhī)識領域很有用，但它們确實提供了對金屬增材制造（MAM）各個方面的充分(fēn)理解。這項技術可能會極大(dà)地改變金屬零件建築和設計行業的面貌。因此，大(dà)量的研究活動特别針對金屬材料的3D制作引發了幾篇評論，重點關注加工(gōng)參數、微觀結構特征、機械性能和功能性能之間的相關性。然而，考慮到将該技術應用于更多金屬和合金方面的快速發展，必須迅速更新文獻，以涵蓋與冶金特征相關的新概念和問題

本文概述了有關AM的文獻，重點介紹了用于金屬部件選擇性熔化和3D制造的激光能源，或激光增材制造（LAM）。該LAM技術可根據其原料分(fēn)爲兩類：（i）粉末層熔合（PBF，例如選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS））和（ii）定向能量沉積（DED，例如直接金屬沉積（DMD）和激光工(gōng)程淨成型（LENS））。

由于LAM可以制造複雜(zá)的幾何圖形，因此有很好的機會修改工(gōng)業産品的設計，實現更輕、更高效的零件，以更低的成本更快地制造産品。成本和時間的減少，同時最大(dà)限度地減少與人爲相關的錯誤，以及構建幾乎任何形狀的能力，導緻對零件組裝的需求減少，産品開(kāi)發周期加快，這些是LAM相對于傳統制造技術的主要優勢。與此同時，LAM技術已變得更适合于工(gōng)業應用，尤其是在小(xiǎo)規模生(shēng)産的行業，并專注于制造具有定制規格的獨特産品，尤其是在醫療和航空航天領域的應用。醫用和牙科植入物(wù)，以及與患者匹配的植入物(wù)需要在短時間内獲得高質量和更好的生(shēng)物(wù)相容性。LAM制造對這些植入物(wù)的複雜(zá)性和質量問題産生(shēng)了特别的影響，因爲它們也加速了患者的愈合過程。

換句話(huà)說，考慮到用于制造複雜(zá)幾何形狀的逐層金屬沉積方法的能力，使用LAM技術可以在短時間内以合理的價格制造出更多的個性化醫療和牙科設備。它還可以在惡劣條件下(xià)（在孤立地區）提供獨特的制造和維修潛力，包括太空、北(běi)極或海上。因此，LAM獲得了航空航天和生(shēng)物(wù)醫學領域的大(dà)量關注，并對主要用于這些行業的四類材料（鋼、鎳基合金、钛基合金和金屬基複合材料）進行了積極的研究。然而，值得一(yī)提的是，利用LAM技術以可接受的成本和性能從不同的金屬和合金中(zhōng)制造聲音（無缺陷）對應物(wù)仍然具有挑戰性。

計算了第12層的熔接區和σ_xx應力。(Hodge等人)。

Hodge等人開(kāi)發了選擇性激光熔化的熱機械模型，這是一(yī)種粉末床AM過程。他們的模型通過使用相依賴的材料特性(如熱導率)和粉末顆粒熔化固結産生(shēng)的體(tǐ)積收縮來考慮膠結和粉末相，如上圖所示。

在由LAM技術制造的工(gōng)程部件中(zhōng)實現令人滿意的機械性能是對更廣泛利用的最大(dà)挑戰。在這方面，各種激光處理因素（包括激光功率、激光掃描速度、掃描模式等）的貢獻在LAM制造過程中(zhōng)起着關鍵作用，必須針對産品的特定粉末和沉積幾何形狀進行控制和優化。改變這些關鍵參數主要會影響加工(gōng)環境/條件，例如熔池的形成、溫度、熱梯度、冷卻速率和其他與熱有關的特性。随後，通過改變制造零件的微觀結構，涉及缺陷形成、殘餘應力、晶粒尺寸、相變和結晶織構的結構特征阻礙了制造零件的機械性能。

LAM工(gōng)藝中(zhōng)的定向傳熱現象通常會導緻制造零件中(zhōng)的大(dà)規模各向異性，主要由重熔和定向凝固引起。許多研究都集中(zhōng)在評估由LAM技術制造的零件的微觀結構和機械産品的各向異性。LAM中(zhōng)的各向異性取決于金屬系統和定向凝固行爲，導緻制造零件中(zhōng)潛在的不均勻性，這取決于加工(gōng)參數。此外(wài)，其他與LAM相關的問題/缺點（如微孔、成球、未熔合等）的産生(shēng)也可能導緻所發明零件的各向異性和機械性能退化。

這篇綜述文章的主要關注點是金屬部件的LAM、其工(gōng)藝、微觀結構及其機械和功能性能。其目的是建立工(gōng)藝處理設置和裝配結構材料特性之間的相關性。考慮到文獻中(zhōng)的重要性和當前技術水平，本次關鍵評估将重點放(fàng)在四類材料上：不鏽鋼、鎳基高溫合金、钛及其合金和金屬基複合材料。詳細讨論了LAM生(shēng)産過程中(zhōng)涉及的關鍵冶金現象以及制造前和制造後的處理情況。從晶粒尺寸、相變、相穩定性、織構和擇優取向、抗拉強度、彈性、流動行爲、剪切強度、殘餘應力、蠕變和高溫性能、疲勞和循環行爲等方面考慮了這些材料冶金方面的LAM固結結果。通過對最新技術的評估，揭示了文獻中(zhōng)的空白(bái)和對該領域進行更深入科學把握的障礙。此外(wài)，還強調了值得進一(yī)步研究的主題，這可能有助于LAM領域的發展。

2.AM系統

AM系統正在迅速部署，許多新系統被設計爲以基于層的方式運行。這些系統可以根據逐層沉積策略、能源、建築體(tǐ)積（尺寸和形狀）、制造材料、原料形式和其他參數進行分(fēn)類。ASTM F2792标準定義了AM技術的七個類别，主要基于沉積方法。其中(zhōng)，粉末床熔合（PBF）、定向能沉積（DED）和薄闆層壓（SL）适用于金屬材料的增材制造（見圖1）。根據工(gōng)藝中(zhōng)的熱源，AM技術可進一(yī)步分(fēn)爲基于激光、電(diàn)子束、電(diàn)弧、等離(lí)子體(tǐ)和超聲波的系統。根據加工(gōng)方法的不同，這些AM技術可用于制造聚合物(wù)、生(shēng)物(wù)材料、金屬、陶瓷和複合材料。AM工(gōng)藝的另一(yī)個典型分(fēn)類是基于進料模式，即（i）粉末床，（ii）粉末進料，以及（iii）送絲系統。這一(yī)重要的分(fēn)類是本文中(zhōng)公認的安排，也在引入原料的方式上區分(fēn)了AM工(gōng)藝，并在沉積速率（生(shēng)産速度）、複雜(zá)性（尺寸公差、精度）、零件變形、殘餘應力和結構性能方面比較了不同的技術。

圖1 激光增材制造（LAM）技術的分(fēn)類樹(shù)。

2.1. 粉末床系統

PBF是一(yī)種将熱源（通常是激光或電(diàn)子束）應用于在平台上熔化或燒結粉末的過程，在一(yī)系列源自特定CAD文件（根據3D對應物(wù)的幾何結構或設計定義）的部分(fēn)中(zhōng)逐層進行。首先，在構建台上沉積一(yī)層金屬粉末。通常，滾筒或刮水器葉片會在表面上分(fēn)布一(yī)層均勻的粉末。然後，熱源選擇性地熔化或燒結掉的粉末。下(xià)一(yī)層完成後，将構建台降低，或将粉末台升高，以便将粉末沉積在前一(yī)層上。在組件制造完成之前，重複該過程。直接金屬激光燒結（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結（SLS）、激光聚焦（概念激光）和激光金屬熔合（LMF）是用于金屬部件的基于PBF的LAM技術。這些技術之間有一(yī)些細微的差别，但它們在制造過程中(zhōng)都遵循相同的原理。圖2顯示了使用粉末床組織的LAM技術的代表性設置。

圖 2 PBF系統示意圖

2.2. 送粉系統

基于直接能量沉積（DED）的送粉系統使用熱源将金屬粉末熔合到首選平台上。細顆粒通過構建表面上方的噴嘴，并在逐層程序中(zhōng)追蹤組件橫截面積的形狀（見圖3）。激光工(gōng)程淨成型（透鏡）、直接金屬沉積（DMD）、激光金屬沉積（LMD）和激光自由成型制造（LF3）是一(yī)些著名的送粉技術。沉積層的厚度通常大(dà)于0.1 mm。此外(wài)，與PBF系統相比，這些系統通常具有更大(dà)的構建量，并且可以制造更大(dà)的零件。在某些技術中(zhōng)，噴嘴移動，工(gōng)件固定；然而，也可以在零件移動時設置固定噴嘴，以創建所需形狀。與傳統制造部件相比，使用DED技術制造的3D金屬部件的晶粒結構更細，這是因爲在凝固過程中(zhōng)熔化後的誘導冷卻速率更高。