劉佩峰

（中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083）

1 增材制造技術(shù)簡(jiǎn)介

增材制造（AM）是材料和制造科學(xué)研究中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，有望改變“制造游戲”。AM可以為商業(yè)產(chǎn)品中的快速組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)變化提供最終的敏捷性/定制化，支持組件部分的整合和“不可能的”復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)。對(duì)于廣泛使用的低成本原料的聚合物和聚合物基復(fù)合材料，高度靈活的AM平臺(tái)正在迅速擴(kuò)展，目前已廣泛應(yīng)用于小型和大規(guī)模的零件制造，例如，聚合物大面積增材制造（BAAM）已在大型結(jié)構(gòu)上得到了證明，包括汽車和建筑物。盡管聚合物材料的技術(shù)壁壘已基本克服，但金屬合金的增材制造仍然具有挑戰(zhàn)性。

目前，用于制備復(fù)雜金屬和合金的增材制造技術(shù)主要包括粉末床熔融（Powder bed fusion，PBF）與定向能量沉積（Direct energy deposit，DED）[1]，如圖1所示。PBF以高度聚焦的高能粒子束掃描粉末床，使掃描路徑上的粉體材料熔融并結(jié)合為整體，逐層堆疊得到所需的三維實(shí)體。PBF的能量密度集中且粉末細(xì)密，粉末堆積無需剛性支撐，不僅可以精確高效地賦予金屬與骨骼完美貼合的復(fù)雜外形，還可以根據(jù)需要制備出不同尺寸、形狀和數(shù)量的內(nèi)部孔隙，成為個(gè)性化金屬的主要增材制造方法。在DED中，金屬材料以粉末或金屬絲的形式通過噴嘴輸送，然后利用熱能熔化。激光工程凈成形（LENS）是用于直接能量沉積的最常見的商業(yè)工藝，該技術(shù)通過多個(gè)噴嘴提供了一種簡(jiǎn)單的多材料輸送系統(tǒng)，且能夠原位沉積和合成不同的材料。

圖1 粉末床熔融（PBF）技術(shù)（a）與定向能量沉積（DED）技術(shù)（b）

在所有這些AM技術(shù)中，給料粉末的首先要考慮球形粉末形狀，以提高流動(dòng)性、分層鋪展和松散的粉末包裝，特別是對(duì)于粉末床類型。而對(duì)于DED，只要粉體給料器能保持恒定的粉體進(jìn)料率，可以接受粉體為碎片等不規(guī)則形狀。具體的PBF工藝包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、直接激光金屬燒結(jié)（DLMS）和電子束熔化（EBM），所有這些都涉及粉末的高度局部熔化（通常）和“微焊接”熔化區(qū)的再固化。實(shí)際上，根據(jù)熱源的穿透深度和掃描模式和速度，AM構(gòu)建的大部分體積區(qū)域在AM過程中會(huì)經(jīng)歷多次熔化和再凝固循環(huán)。具體的DED工藝包括激光工程凈成型（LENS）、直接金屬沉積（DM3D）、激光沉積技術(shù)（LDT）和電子束增材制造（EBAM）。這些“吹粉”方法利用單個(gè)或多個(gè)粉末饋送器和激光（最常見）或電子束作為高度局部熱源熔化一部分（通常為20%-30%）的注射粉末，以形成自由形狀的物體[2]，如圖2所示。

圖2 激光工程近凈成形工藝示意圖

2 增材制造制件研究現(xiàn)狀

2.1 制件缺陷產(chǎn)生的原因

目前關(guān)于AM工藝探索性的研究越來越多，然而關(guān)于增材制造制備的金屬部件的微結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系，特別是在極端環(huán)境或高應(yīng)力和疲勞條件下的性能的機(jī)理研究是缺乏的[3-7]。AM制造工件常常出現(xiàn)力學(xué)性能退化的現(xiàn)象，這多與構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力和孔隙缺陷有關(guān)[8]。在一些現(xiàn)有的為鑄造和鍛件設(shè)計(jì)的合金中，AM處理會(huì)導(dǎo)致開裂或其他微觀組織缺陷，這是由于在處理過程中不能抑制多余的夾雜物/析出物，且某些合金成分的蒸發(fā)導(dǎo)致成分控制不良[5-6，9]。為了克服這些挑戰(zhàn)，開發(fā)更廣泛的構(gòu)建參數(shù)是可取的，例如，凝固溫度梯度控制和增加針對(duì)AM加工的合金設(shè)計(jì)托盤。為加速對(duì)新合金設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)合金應(yīng)易于在建造試驗(yàn)中以負(fù)擔(dān)得起的小批量高質(zhì)量粉末原料獲得。

2.2 增材制造粉末存在的問題

雖然有些缺陷發(fā)生在某個(gè)構(gòu)建參數(shù)或與合金設(shè)計(jì)相關(guān)，可以最小化/愈合后加工，例如，熱等靜壓（HIP）和/或退火，但許多缺陷與孔隙度的起源在于初始粉末原料的“質(zhì)量”屬性。由于結(jié)構(gòu)中的空洞而造成的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性的限制可能是AM生產(chǎn)的關(guān)鍵部件必須避免的最重要的微結(jié)構(gòu)缺陷類型[9-10]。與粉末質(zhì)量有關(guān)的缺陷包括大尺寸的內(nèi)部孔隙。粉末直徑的10%-90%來自截留霧化氣體[11]，這是最普遍的粗粒度粉末（粉末直徑＞70μm），一般用于EBM/PBF和LENS/DED。應(yīng)注意的是，孔隙的尺寸非常小。由截留的晶間凝固（“微”）孔隙形成合金“糊狀”區(qū)（液體+固體）范圍。由于凝固速率較慢，這在較粗的粉末中更明顯[12]。在AM結(jié)構(gòu)中，還有一種存在較大孔隙度的原因是粉末附著在“衛(wèi)星”或凸起上[13]，這妨礙了平滑流動(dòng)，并在連續(xù)粉末層的擴(kuò)散過程中阻礙了粉末的均勻充填。表面雜質(zhì)（如吸附的水蒸氣）也會(huì)促進(jìn)粉末團(tuán)聚引起的鋪展性缺陷和大尺寸[14]在AM構(gòu)建中的孔隙率。這些大孔隙可能包含的捕獲的氫來自物理吸附的水分子或化學(xué)吸附的氫氧[15]在AM過程中的分解。雖然這可能是生產(chǎn)后的粉末質(zhì)量問題[15]，但通常是由于在粉末儲(chǔ)存或處理過程中大氣控制不足造成的。

為了追溯截留霧化氣孔缺陷的來源，有必要研究活躍的液滴形成機(jī)制，特別是在氣體霧化（GA）過程中。如前所述[11，13，16-17]，GA過程中都有許多類型的液體破裂機(jī)制發(fā)生在任何時(shí)間，可以根據(jù)霧化氣體與熔融金屬相互作用的能量學(xué)進(jìn)行排序。在液滴冷卻和凝固過程中，熔體破碎成液滴也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)過程。熔體粘度急劇增加時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂[11，16，18]，特別是在糊狀合金碎片或液滴凝固早期階段。當(dāng)能量最大的機(jī)制之一“袋狀”裂解（見圖3）在高氣體速度下受到刺激時(shí)，熔化碎片（或大液滴）形成一個(gè)袋狀薄片，向正常的氣體流動(dòng)方向擴(kuò)散。該袋從其周圍脫落小液滴，并可能粉碎成細(xì)液滴。還有一種情況是，如果粘度上升到足夠的程度，薄片自身坍塌形成一個(gè)大的液滴（空心球體），其中有一個(gè)被困的霧化氣體口袋。因此可以推斷，為了抑制空心球的產(chǎn)生，應(yīng)減少破裂過程的能量，以避免袋子破裂的操作，但這是難以實(shí)現(xiàn)的。

圖3 在高氣速下液滴形成的袋破裂機(jī)理的兩種選擇

2.3 增材制造用金屬粉末的霧化技術(shù)進(jìn)展

通過（典型的大直徑）噴淋室的側(cè)視口觀察運(yùn)行中的氣體霧化器可知，沿噴淋室壁始終可見垂直向上的細(xì)粉流，這些細(xì)粉流繼續(xù)將細(xì)粉送入再循環(huán)云中。通過試驗(yàn)開發(fā)的一種方法是使用直徑較?。ㄖ睆?0μm）的噴霧室來抑制大部分細(xì)粉傀儡，這已被證明對(duì)所得到的粉末[19]的球形平滑度有顯著改善。與抑制內(nèi)部孔隙一樣，這種抑制衛(wèi)星的方法也面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，包括避免“濺出的”顆粒過早地與噴霧室壁碰撞，特別是在產(chǎn)生更大的噴霧錐[20]的霧化過程中。除了改善粉末質(zhì)量，目前認(rèn)證的原料粉末成本過高、可用性有限，部分原因是需要特定、狹窄的粉末粒度分布。一般來說，對(duì)于激光熔化/PBF工藝，粉末的尺寸范圍為+15mm/-45μm。通常規(guī)定，對(duì)于EBM/PBF工藝，粉末粒徑通常為+45mm/-106μm，對(duì)于LENS/DED，粉末粒徑通常為+45μm/-75μm。對(duì)于常用霧化方法生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)合金粉末（見圖4），每批的粉末粒度過大或過小，如自由落體氣體霧化約為80%-90%，會(huì)限制AM粉末的產(chǎn)量，并導(dǎo)致價(jià)格上漲[21]。如圖4所示，值得注意的是，“旋轉(zhuǎn)電極工藝”現(xiàn)在被稱為PREP（見表1），以識(shí)別可控等離子熔點(diǎn)[22]的電流使用。目前，可用的氣體霧化方案還包括電極感應(yīng)熔化氣體霧化（EIGA），這是許多粉末制造商[22]所采用的方法，特別是用于鈦。EIGA從一個(gè)（低成本）大致圓柱形的合金錠開始，該合金錠在感應(yīng)線圈內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，使其滴/流涎液通過自由落體氣體霧化噴嘴熔化，同樣產(chǎn)生一個(gè)寬尺寸分布（見表1），類似于圖4中的GA[22]。

表1 粉末的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)總結(jié)

圖4 快速旋轉(zhuǎn)杯法（RSC）、真空霧化法（VA）、快速凝固法（RSR）、旋轉(zhuǎn)電極法（REP）制備的粉末粒徑分布曲線

一般來說，在最常用的PBF和DED工藝中，金屬合金粉末在AM加工過程中發(fā)生的高度局域化的熔煉和再凝固對(duì)粉末流動(dòng)不均勻?qū)е碌娜毕荩ㄖ饕菤饪祝┖苊舾?。這是由于粉末團(tuán)聚或非球形狀導(dǎo)致不均勻的包裝或進(jìn)料以及內(nèi)部孔隙（滯留在粉末中），即使在多次再熔解循環(huán)后仍可能存在[2-3]。由于降低的機(jī)械性能和較低的抗疲勞性能，這種多孔性可能是使用壽命受到嚴(yán)重限制的核心問題，這對(duì)于在高溫或腐蝕性大氣等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。需要注意的是，諸如LENS等定向能量沉積工藝對(duì)非球形粉末的敏感性較低，這取決于所使用的粉末輸送器和載氣中的粉末負(fù)載，在載氣中，即使破碎的顆粒也可以順利地送入激光熔化區(qū)[22]。由于粉末尺寸范圍和質(zhì)量要求，有限數(shù)量的金屬合金已通過AM處理，這極大地限制了在各種金屬合金應(yīng)用中采用AM技術(shù)的速度。此外，許多PBF和DED類型的AM設(shè)備制造商增加了“合格”原料粉體的供應(yīng)壓力（和成本），提供自己的粉體（見表2）用于自己的AM機(jī)器，使其能夠在擔(dān)保[2]下運(yùn)行。這種粉末使用限制制約了AM系統(tǒng)供應(yīng)商提供的粉末類型的多樣性，使AM界對(duì)專為熔體AM設(shè)計(jì)（和認(rèn)證）的合金粉末的需求受到約束。

表2 AM系統(tǒng)供應(yīng)商提供的預(yù)合金粉末

在AM結(jié)構(gòu)中抑制保留的孔隙對(duì)許多技術(shù)來說都是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，而在構(gòu)建后的熱等靜壓（HIP）已成為封閉某些類型孔隙的常用方法。但不足的是，HIP對(duì)于AM構(gòu)建中遇到的一種典型的大球形孔隙并非有效，特別是對(duì)于由EBM/PBF和LENS/DED的直徑大于50-70μm的氣體霧化粉末制成的構(gòu)建。由于在普通AM裝置中很難消除殘余氣孔，因此，減輕這種氣孔的最佳方法似乎是抑制原制粉過程中霧化氣體的截留。這種抑制需要使用一種替代的霧化機(jī)制，該機(jī)制的能量比被描述為較“袋破裂和崩潰”更低[11]。這是一種有效的方法，以產(chǎn)生更大的液滴與捕獲內(nèi)部的氣孔（見圖3），在凝固后成為更大的粉末。圖5和圖6顯示了具有典型的內(nèi)部孔隙率的商業(yè)氣體霧化粉末的例子，其中來自供應(yīng)商A的28%的粉末（183/653）和來自供應(yīng)商B的21%粉末（121/575）有明顯的氣體捕獲。

圖5 來自A供應(yīng)商的45-106mm范圍內(nèi)惰性氣體霧化的MAR-M-247粉末的掃描電鏡背散射成像（分別顯示在低和高倍放大下拋光的截面）

圖6 來自供應(yīng)商B的45-106mm范圍內(nèi)惰性氣體霧化的MAR-M-247粉末的掃描電鏡背散射成像（分別顯示在低和高倍放大下拋光的截面）

3 粉末缺陷產(chǎn)生機(jī)制

如文獻(xiàn)[13，16-18]所述，有幾種韌帶和直接的液滴形成機(jī)制會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性和液滴夾緊，而沒有任何明顯的機(jī)會(huì)捕捉霧化氣體。然而，如何開發(fā)氣體霧化結(jié)構(gòu)和參數(shù)以促進(jìn)這些低能量的液滴形成機(jī)制，同時(shí)避免袋破裂和崩潰，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。在圖5中，只有4%的粉末（13/304）有明顯的截留氣體，通過使用動(dòng)能降低的霧化氣體，氣體霧化試驗(yàn)在抑制內(nèi)部孔隙方面取得了一些進(jìn)展[19]。

與球形粉末內(nèi)部通常存在的氣體孔隙不同，周圍的衛(wèi)星粉末在重力誘導(dǎo)下從漏斗（霍爾或卡尼）流出，當(dāng)由粉末進(jìn)料器的細(xì)管中的載氣推動(dòng)時(shí)，或者當(dāng)通過輥或“刮刀”在受控高度的粉末床上作為新層鋪展時(shí)，會(huì)遇到缺乏平滑、連續(xù)“流動(dòng)性”的問題。如果不注意調(diào)整掃描參數(shù)以解決這種類型的不均勻粉末堆積，貧區(qū)和聚集的空隙空間都可以促進(jìn)AM構(gòu)建結(jié)構(gòu)中殘留孔隙的形成。當(dāng)然，對(duì)構(gòu)建參數(shù)的任何額外調(diào)整都可能導(dǎo)致構(gòu)建速率變慢，這通常是無益的，推動(dòng)了抑制氣體霧化粉末上的衛(wèi)星粉的目標(biāo)。圖7顯示了商業(yè)氣體霧化粉末樣品，其在低放大率下看起來是相當(dāng)球形的，但是在高放大率顯微照片中具有明顯的衛(wèi)星投影群。在艾姆斯實(shí)驗(yàn)室中試規(guī)模的氣體霧化系統(tǒng)的狹窄噴霧室（30厘米內(nèi)徑）內(nèi)生產(chǎn)了一批非常相似的合金試驗(yàn)后，對(duì)霧化粉末的掃描電鏡分析（見圖8）表明，在該試驗(yàn)中衛(wèi)星裝飾大大減少[19]?；蛟S很容易將圖8中粉末的高度球形歸因于限制外部再循環(huán)流動(dòng)效應(yīng)的艾姆斯實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的狹窄噴霧室，但是兩種衛(wèi)星形成機(jī)制仍然可以運(yùn)行。因此，必須對(duì)噴霧室設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的影響進(jìn)行更多的建模，以驗(yàn)證結(jié)果，從而完善衛(wèi)星球抑制效果。

圖7 來自供應(yīng)商A的惰性氣體霧化MAR-M-247粉末的二次電子成像掃描電鏡顯微照片，尺寸范圍45-106μm（分別顯示低和高放大率下的粉末外表面）

圖8 氬原子化MAR-M-247（成分略有改變）實(shí)驗(yàn)粉末在45-106μm范圍內(nèi)的二次電子成像掃描電鏡顯微照片（分別顯示低和高放大率下的粉末外表面）

4 展望

目前的金屬增材制造技術(shù)缺乏足夠的基礎(chǔ)工藝知識(shí)和控制，導(dǎo)致制造具有一致的預(yù)期性能和結(jié)構(gòu)特征的產(chǎn)品的可重復(fù)性不足。此外，增材制造需要對(duì)不同形式的原料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化材料測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)研究，以更好地理解對(duì)最終零件質(zhì)量的影響：1）原料粉末尺寸范圍和尺寸范圍內(nèi)的尺寸分布；2）粉末形狀（接近理想球形）；3）粉末表面條件（通常為氧化物厚度）；4）粉末合金成分。定義粉末原料特性之間的關(guān)系及其對(duì)質(zhì)量和性能的影響將使材料供應(yīng)商和原料粉末生產(chǎn)商能優(yōu)先考慮對(duì)其粉末加工方法進(jìn)行必要的改進(jìn)。原料粉末的這些改進(jìn)可以提高增材制件的可靠性和一致性，并加速新材料的開發(fā)，使這些部件成為現(xiàn)實(shí)。粉末氣霧化仍需進(jìn)行大量試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究，以將這種金屬粉末生產(chǎn)的高通量方法轉(zhuǎn)化為高效生產(chǎn)高質(zhì)量粉末的精密工藝，從而滿足金屬粉末原料的需求。這種真正“智能”的粉末制造需要基礎(chǔ)工藝研究的進(jìn)步，以提高緊密耦合的氣體霧化噴嘴和霧化噴霧室設(shè)計(jì)的技術(shù)水平。工藝研究目標(biāo)應(yīng)包括模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證熔體預(yù)成膜和破碎機(jī)制，以促進(jìn)液滴尺寸均勻性，并抑制霧化氣體作為內(nèi)部孔隙的捕集。此外，噴霧室再循環(huán)模式的計(jì)算和試驗(yàn)應(yīng)允許設(shè)計(jì)減少或消除衛(wèi)星粒子形成的裝置或修改。噴霧室內(nèi)冷卻過程中液滴溫度演變的測(cè)量和建模應(yīng)指導(dǎo)活性氣體添加劑的放置，以實(shí)現(xiàn)有效的粉末鈍化而不會(huì)過度氧化。通過成功完成旨在大大提高氣體霧化粉末質(zhì)量和粉末生產(chǎn)的精度和效率的一系列關(guān)鍵加工研究任務(wù)，可以促進(jìn)粉末冶金的持續(xù)快速發(fā)展。其他基于粉末或噴霧的先進(jìn)制造方法也可以從這些研究成果中受益，推動(dòng)下一波傳統(tǒng)和先進(jìn)材料的可持續(xù)制造技術(shù)。