激光選區(qū)熔化成形316L中孔洞類型及產(chǎn)生機(jī)理

孫靖 吳士明 陳艷

摘要：激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）在金屬材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。分析了SLM成形316L SS樣件的內(nèi)部與表面孔洞缺陷類型以及產(chǎn)生的機(jī)理，為缺陷的控制提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM成形316L SS件內(nèi)部孔洞缺陷主要包括：熔池交界處的撕裂型三角形孔洞、隨機(jī)分布的夾雜型孔洞、熔池中心深度較淺的不規(guī)則孔洞以及呈現(xiàn)聚集性分布的未熔合型孔洞。表面孔洞缺陷主要包括較淺的凹陷性缺陷以及具有細(xì)頸特征的較深缺陷，缺陷內(nèi)部存在夾雜物，且在表面孔洞尖端易產(chǎn)生微裂紋。SLM過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物是產(chǎn)生內(nèi)部及表面孔洞的主要原因，分析結(jié)果顯示飛濺物為高溫下的混合氧化產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化;孔洞缺陷類型;產(chǎn)生機(jī)理;飛濺產(chǎn)物;成型腔

0? ? 前言

激光選區(qū)熔化技術(shù)日趨成熟，具有直接制造復(fù)雜幾何形狀零件的能力，但相關(guān)孔隙率仍是其致命的弱點(diǎn)，孔洞的產(chǎn)生極大影響了材料的耐腐蝕性能及疲勞性能。Veerappan[1]等研究了增材成形IN718中孔洞及孔洞尺寸對(duì)疲勞性能的影響，研究表明彌散分布的孔洞可嚴(yán)重削弱材料的疲勞性能，且當(dāng)晶粒平均尺寸為48 μm、孔洞平均尺寸達(dá)到20 μm時(shí)裂紋的形核位置由晶體向孔洞附近轉(zhuǎn)變。陳迪[2]等研究了3D打印技術(shù)制備的Ti6Al4V內(nèi)部大量隨機(jī)分布的球形孔洞，分析了高能束能量密度和掃描策略等因素對(duì)孔洞的影響，研究表明，對(duì)打印件表面進(jìn)行拋光處理，選擇合理的熱等靜壓工藝消除材料內(nèi)部孔洞、避免組織過(guò)度粗化，可顯著提高3D打印鈦合金的疲勞壽命;使用能量來(lái)進(jìn)行單向掃描可使未熔合缺陷和孔洞只出現(xiàn)在所制備樣品的一側(cè)。萬(wàn)志鵬[3]等研究表明3D打印金屬材料的孔洞缺陷所引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重降低了其疲勞強(qiáng)度，因空間位置的不同，三種不同的孔洞——獨(dú)立孔洞、接近自由表面的孔洞、相鄰孔洞的分布情況的應(yīng)力集中系數(shù)差異顯著。

研究孔洞的類型及其產(chǎn)生機(jī)理并找到抑制方案是目前激光選區(qū)熔化技術(shù)中面臨的一個(gè)重要課題。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)使用高速X射線成像技術(shù)研究粉末床金屬熔化3D打印技術(shù)中小孔的成形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)小孔形成是由于匙孔尖端嚴(yán)重不穩(wěn)定性造成的[4]。趙滄等研究表明匙孔的不穩(wěn)定性在熔池內(nèi)部產(chǎn)生聲波，為匙孔尖端附近的氣孔提供驅(qū)動(dòng)力，使其成為內(nèi)部缺陷[5]。

文中著重研究了激光選區(qū)熔化成形316L SS試樣內(nèi)部及表面孔洞缺陷類型，揭示典型孔洞的成形機(jī)理。研究了激光選區(qū)熔化過(guò)程中飛濺物的形貌及其成分分析，為飛濺產(chǎn)物的抑制提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 原材料

試驗(yàn)材料采用由氣霧化方法制備的316L SS粉末，合金粉的粒徑范圍為15～53 μm。316L SS粉的微觀形貌如圖1所示，可知合金粉的球形度較好，顆粒圓整，表面光滑。

1.2 SLM 過(guò)程

采用自研的Kre AM350 型設(shè)備進(jìn)行激光選區(qū)熔化試驗(yàn)，該設(shè)備配備 YLR-500光纖激光器，光斑直徑為70 μm。采用316L不銹鋼基板，試驗(yàn)前設(shè)備成型腔體抽真空，之后循環(huán)充入99.99%高純氬氣，在整個(gè)制備過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧含量，保證成型腔內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)低于800×10-6。激光掃描策略定為棋盤式掃描方式，相鄰層間掃描方向旋轉(zhuǎn)67°。棋盤格尺寸為5 mm×5 mm。優(yōu)化后的參數(shù)為：?jiǎn)螌臃蹖雍穸?0 μm，掃描間距0.15 mm，激光功率為200 W，對(duì)應(yīng)的掃描速度800 mm/s。

1.3 表征試驗(yàn)

SLM 結(jié)束后，采用線切割方法從距基板表面1 mm處沿掃描方向?qū)⒊尚魏辖鹋c基板分離，試樣經(jīng)乙醇超聲清洗、烘干后，在NanoSEM 50 型掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行表征觀察。待觀察合金分離面經(jīng)打磨、拋光和由10 mL HNO3+30 mL HCl +60 mL蒸餾水組成的混合溶液腐蝕30 s后，采用NanoSEM50 型掃描電子顯微鏡觀察合金內(nèi)部的顯微組織及缺陷。

2 結(jié)果及分析

對(duì)SLM成形的316L SS試樣中的內(nèi)部孔洞缺陷進(jìn)行收集與表征，并分析其產(chǎn)生機(jī)理。典型孔洞缺陷類型如圖2所示。由于采用優(yōu)化后的參數(shù)，因此不考慮因能量不足引起的密集分布的欠熔合孔洞。根據(jù)缺陷形貌及其在熔池中的分布位置，典型孔洞缺陷主要分為4類：熔池交界處分布的三角形孔洞、不規(guī)則的夾雜性孔洞、熔池中心的不規(guī)則孔洞以及未熔合性孔洞群。圖2a為熔池交界區(qū)域分布孔洞，相鄰熔池結(jié)合區(qū)域?yàn)?D打印成形件中的薄弱環(huán)節(jié)，孔洞、裂紋等缺陷易在這些區(qū)域產(chǎn)生。由于SLM過(guò)程中激光束的快速移動(dòng)，微米級(jí)熔池快速凝固產(chǎn)生了極大的溫度梯度，再加上熔池凝固收縮，因此在熔池間產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力[6]。熔池邊界結(jié)合力較弱，又受到拉應(yīng)力影響，易產(chǎn)生撕裂型缺陷，如圖2a所示，此類孔洞易產(chǎn)生于熔池三叉交界處，形貌為近似三角形，且在“ 三角形 ”尖角位置易出現(xiàn)隨生裂紋。將三角形孔洞進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)壁較光滑，僅有少量粉體附著，如圖2a插圖所示。圖2b為夾雜型孔洞，此類孔洞尺寸較大，約50 μm及以上，形狀多變，內(nèi)部夾雜一種或多種異物。如圖2b插圖所示，SEM背散射模式下內(nèi)部夾雜物呈現(xiàn)顏色較深的黑灰色，隨后將采用EDX元素分析確定夾雜物的成分。夾雜型孔洞的分布位置隨機(jī)。圖2c為熔池中心位置產(chǎn)生的孔洞，一般為不規(guī)則形狀，此類孔洞深度較淺，經(jīng)放大后如圖2c插圖所示，與圖2a相比，內(nèi)壁分布明顯的經(jīng)腐蝕后的微觀組織形態(tài)。表明熔池交界處的三角形孔洞為熔池凝固結(jié)束后在殘余應(yīng)力影響下形成，而熔池中心較淺的孔洞為凝固過(guò)程中留下的。圖2d為未熔合產(chǎn)生的孔洞，這類孔洞呈現(xiàn)聚集分布形態(tài)，且在SEM二次電子模式下具有不均勻的微觀組織，但EDX分析結(jié)果表明，未熔合孔洞周圍的化學(xué)成分并無(wú)差異，這種缺陷可能是由不穩(wěn)定的液-固界面前沿引起的。Yuan[7]等研究結(jié)果表明，由于溫度梯度在熔池內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的Marangoni對(duì)流，引起凝固界面前沿的劇烈擾動(dòng)。Gu[8]等研究結(jié)果顯示，由于極快的凝固速率，SLM成形鈦合金表面顯現(xiàn)出明顯的凝固前沿形貌，且掃描速度越高，液-固界面前沿?cái)_動(dòng)凝固越大。液-固界面前沿的擾動(dòng)對(duì)內(nèi)部組織及缺陷也會(huì)產(chǎn)生極大的影響，頻繁擾動(dòng)的凝固前沿導(dǎo)致產(chǎn)生雜亂的微觀組織，尤其對(duì)于后期凝固區(qū)域。且凝固前沿影響區(qū)域比較大，由于擾動(dòng)產(chǎn)生的未熔合出現(xiàn)聚集分布的現(xiàn)象。

孔洞缺陷中占比最高的為夾雜型孔洞，夾雜物多為SLM過(guò)程產(chǎn)生的飛濺，會(huì)直接影響激光與材料的相互作用，導(dǎo)致其他缺陷的產(chǎn)生。在SLM過(guò)程中，飛濺主要是由側(cè)向保護(hù)氣流、熔池的波動(dòng)和反沖擊壓力引起的。飛濺物主要可分為以下幾類：表面氧化的原始金屬粉末、粉末與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物以及腔內(nèi)潤(rùn)滑油等物質(zhì)在高溫下產(chǎn)生的物質(zhì)。飛濺物與原材料成分不同，落在粉末上會(huì)形成較大的顆粒，進(jìn)而導(dǎo)致未熔合和氣孔的產(chǎn)生;此外，飛濺落在凝固表面會(huì)影響下一層鋪粉，導(dǎo)致下一層鋪粉不平整，甚至損壞刮刀。孔洞內(nèi)飛濺物的形貌與成分檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夾雜物呈現(xiàn)近球形形貌或不規(guī)則形貌。EDX結(jié)果顯示，近球形夾雜物中O元素含量為2.02 wt.%，相較于基體O含量略有增高，未檢測(cè)到其他基體合金以外的元素，譜圖1表征結(jié)果為不銹鋼氧化物。不規(guī)則形貌夾雜物的EDX檢測(cè)結(jié)果如譜圖2所示，其中Al元素及O元素含量急劇升高，主角為Al的氧化物，是由于成型腔內(nèi)殘留的鋁合金粉末氧化后形成的。

SLM成形316LSS試樣表面及側(cè)面粗糙，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)試樣的表面存在較多的開(kāi)放型孔洞，如圖4所示。圖4a為開(kāi)口大、深度較淺的片狀開(kāi)放型孔洞，深度約150 μm，孔洞內(nèi)部存在較多的未熔化顆粒及飛濺夾雜物。圖4b為較深的連續(xù)性孔洞，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，一般存在直形或彎曲細(xì)頸結(jié)構(gòu)，內(nèi)部夾雜未融合粉體及飛濺產(chǎn)物。圖4c為另一種連續(xù)型空洞，深度約為500 μm，呈現(xiàn)多個(gè)胞狀結(jié)構(gòu)，之間通過(guò)細(xì)頸互相連接，這種空洞的形成與O原子的浸滲相關(guān)[9]。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)表面空洞的尖端易成為內(nèi)部裂紋源，如圖4d所示。表面空洞的存在嚴(yán)重影響成型件的尺寸精度與表面完整性，亦會(huì)影響內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。

經(jīng)分析，諸多內(nèi)部孔洞及表面空洞都由飛濺物夾雜產(chǎn)生，因此，對(duì)飛濺物的形貌及成分進(jìn)行進(jìn)一步分析，以便于采取相應(yīng)的抑制措施。采用SEM及EDX分析從成形腔內(nèi)部收集的飛濺物（見(jiàn)圖5），確定其成分及形貌。飛濺物主要由3類形貌組成：球形或近球形粉體、不規(guī)則塊體和粉末狀，其中不規(guī)則塊體具有明顯的棱角，通常呈現(xiàn)聚集狀態(tài)。EDX分析結(jié)果顯示球形或近球形顆粒為表面氧化的粉體，表面O含量為4.26 wt.%，超過(guò)原始粉體的氧含量。粉末狀飛濺物中C含量明顯增高，為腔體內(nèi)高分子材料在高溫下氧化后的產(chǎn)物，如潤(rùn)滑油等，這種產(chǎn)物通常以煙霧的形式產(chǎn)生，均勻附著在腔體內(nèi)表面。不規(guī)則塊狀主要成分中O含量和C含量均明顯升高，結(jié)合XRD檢測(cè)結(jié)果，為粉末在高溫下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，主要為Fe2O3，Cr2O3等[10]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛濺物的產(chǎn)生與不能及時(shí)清理是其內(nèi)部及表面孔洞產(chǎn)生的原因，因此，及時(shí)清理或抑制飛濺物的產(chǎn)生是減少SLM件孔洞缺陷的有效手段。目前，無(wú)法完全抑制飛濺物的產(chǎn)生，清除飛濺主要依靠成型腔內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)。成型腔內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及掃描方式的優(yōu)化可減小飛濺物對(duì)成形件的影響。

3 結(jié)論

激光選區(qū)熔化成形件中的孔洞缺陷對(duì)零件的綜合性能產(chǎn)生極大的影響，尤其是磨損性能與疲勞性能。本文著重研究了激光選區(qū)熔化成形316L SS試樣的內(nèi)部及表面孔洞缺陷的類型以及產(chǎn)生原因，為缺陷的抑制提供依據(jù)。

（1）根據(jù)分布位置與產(chǎn)生的機(jī)理，激光選區(qū)熔化成形316L SS件內(nèi)部孔洞缺陷主要分為：熔池交界處的由于熔池邊界撕裂產(chǎn)生的三角形孔洞、隨機(jī)分布的夾雜型孔洞、熔池中心深度較淺的不規(guī)則孔洞以及位置隨機(jī)呈現(xiàn)聚集性分布的未熔合型孔洞。

（2）SLM成形316L SS表面孔洞缺陷主要包括較淺的凹陷性缺陷以及具有細(xì)頸特征的較深的缺陷，缺陷內(nèi)部存在夾雜物，且在表面空洞尖端易產(chǎn)生微裂紋。

（3）激光選區(qū)熔化過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物是產(chǎn)生內(nèi)部及表面空洞的主要原因，SEM及EDX分析結(jié)果顯示飛濺物為高溫下的混合氧化產(chǎn)物，包括球形或近球形的表面氧化的原始粉末、形狀不規(guī)則的粉末氧化產(chǎn)物以及煙塵狀的油污等聚合物的氧化產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)：

Veerappan Prithivirajan D. Sangid. The role of defects and critical pore size analysis in the fatigue response of addictively manufactured In718 via crystal plastiticy[J]. Materials and Design，2018（150）：139-153.

陳迪，王燎，高海燕，等. 3D打印鈦合金內(nèi)部孔洞的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用激光，2019，39（1）：72-78.

萬(wàn)志鵬，王寵，蔣文濤，等.孔洞缺陷對(duì)3D打印Ti-6Al-4V合金疲勞試樣應(yīng)力分布的影響[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2017，32（1）：1-8.

Ross Cunnnghum，Cang Zhao，NiranJan Parab，et al. Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed X-ray imaging[J]. Science 2019（363）：849-852.

Cang Zhao，NiranJan Parab，Xuxiao Li，et al. Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting[J]. Science，2020（370）：1080-1086.

Jing Sun，Lianfang Qiu，F(xiàn)ei Wang，et al. A new modification effect of eutectic Si in selective laser melted AlSi10Mg[J]. Materials Science and Technology，2019，35（6）：277-285.

Pengpeng Yuan，Dongdong Gu，Donghua Dai. Particulate migration behavior and its mechanism during selective laser melting of TiC reinforced Al matrix nanocomposites[J]. Materials and Design，2015（82）：46-55.

Dongdong Gua，Yves-Christian Hagedorn，Wilhelm Meiners，et al. Densification behavior，microstructure evolution，and wear performance of selective laser melting processed commercially pure titanium[J]. Acta Materialia，2012（60）：3849-3860.

Munish Kumar Gupta，Anil Kumar Singla，Hansong Ji，et al. Impact of layer rotation on micro-structure，grain size，surface integrity and mechanical behaviour of SLM Al-Si-10Mg alloy[J]. Journal of Materials research and Technology，2020，9（5）：9506-9522.

Saad A Khairallah，Andrew T Anderson，Alexander Rubenchik，et al. Laser powder-bed fusion additive manuf-acturing：Physics of complex melt flow and formation mec-hanisms of pores，spatter，and denudation zones[J]. Acta Materialia，2016（108）：36-45.