金屬增材制造中的缺陷、組織形貌和成形材料力學性能1)

陳澤坤 蔣佳希 王宇嘉 曾永攀 高潔 李曉雁

(清華大學工程力學系,北京 100084)

引言

自青銅器時代以來,金屬材料在人類文明發(fā)展進程中起到了至關(guān)重要的作用.隨著社會的不斷發(fā)展和科技的不斷進步,對材料的綜合性能提出了更高的要求,所設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)也逐漸朝輕量化、復雜化和低能耗方向發(fā)展.然而,在制備如超材料[1-2]等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時,傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)往往需要經(jīng)過繁瑣且復雜的加工步驟,且相關(guān)的減材制造過程不僅費時費力,而且會造成大量的材料切削損耗,甚至無法滿足其復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求.此外,在制備一些新型的高熔點合金[3-4]時,對傳統(tǒng)金屬制造設(shè)備而言,保證成形合金的充分熔化以及成分均勻性也具有一定挑戰(zhàn).面對傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)存在的諸多不足,金屬增材制造技術(shù)應運而生.

金屬增材制造(metal additive manufacturing)技術(shù),亦稱金屬3D 打印技術(shù),最早是由美國科學家Hull[5]于20 世紀末提出的.金屬增材制造技術(shù)是以高能電子束(如激光、電子束)為熱源,根據(jù)所設(shè)計的三維數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)逐層加工制造,以獲得目標零件的一種近凈成形金屬制造技術(shù).金屬增材制造技術(shù)逐層制造的方式,擺脫了傳統(tǒng)制造過程的模具限制,可以有效解決復雜結(jié)構(gòu)的制備難題,縮短了加工周期,提高了制造柔性,降低了制造成本;此外,增材制造的加工方式,避免了零件先成形再切削加工的材料浪費,提高了材料利用率,節(jié)省了材料成本;而高的能量束對成形區(qū)域的局部加熱則使得制備高熔點合金成為可能.

經(jīng)過近30 年的發(fā)展,金屬增材制造技術(shù)日趨成熟,步入了穩(wěn)定發(fā)展階段.基于增材制造原理所發(fā)明的多種金屬增材制造工藝,如選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering)、選區(qū)激光熔化技術(shù)(selective laser melting,SLM)、激光金屬沉積技術(shù)(laser metal deposition,LMD)、選區(qū)電子束熔化技術(shù)(selective electron beam melting,SEBM)、絲材電弧增材制造技術(shù)(wire arc additive manufacturing)和黏合劑噴射技術(shù)(binder jetting)等,已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向.金屬增材制造由于特殊的加熱冷卻過程,可以在金屬材料內(nèi)部形成與傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)不同的細小微結(jié)構(gòu),使材料獲得較為優(yōu)異的力學[6-8]、電化學[9-11]性能.同時,其逐層制造的加工過程,還為制備梯度結(jié)構(gòu)材料提供了新思路[12-14].目前,金屬增材制造技術(shù)因其獨特的成形方式以及優(yōu)異的制品性能,已經(jīng)被廣泛應用于航天航空[15-16]、核能工業(yè)[15,17]、交通運輸[18-19]以及生物醫(yī)療[20-21]等領(lǐng)域(如圖1 所示),成為了目前金屬材料制備技術(shù)和先進制造技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點之一.

圖1 金屬增材制造技術(shù)的應用領(lǐng)域Fig.1 Applications of metal additive manufacturing technology

眾所周知,材料的使役性能與材料內(nèi)部缺陷息息相關(guān),如果無法有效消除或抑制材料內(nèi)部缺陷,則會導致材料結(jié)構(gòu)的提前破壞而造成嚴重事故.金屬增材制造是一個固-液-氣三相耦合的復雜物理過程,在成形過程中往往容易因為凝固收縮、熱應力而形成孔洞、裂紋等缺陷.因此,了解金屬增材制造成形過程中缺陷的形成機理,并給出相關(guān)建議,對材料的制備具有重要意義.此外,材料的使役性能還與材料的組織形貌有關(guān),而組織形貌又與成形過程的工藝參數(shù)有重要聯(lián)系,如何在眾多工藝參數(shù)組合中選擇合適的工藝參數(shù),理清工藝參數(shù)對組織形貌的影響,是金屬增材制造技術(shù)研究領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容.

本文將對金屬增材制造技術(shù)進行綜述.首先介紹典型的金屬增材制造技術(shù)原理,然后對金屬增材制造過程中的缺陷、工藝參數(shù)對組織形貌的影響、成形材料及其力學性能進行綜述,最后對金屬增材制造研究中的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向進行展望.

1 金屬增材制造技術(shù)原理

金屬增材制造技術(shù)的基本原理是將三維模型進行切片分層處理,然后以金屬粉體或金屬絲材為成形原料,利用高能量束按照數(shù)據(jù)模型的成形路徑照射并熔化金屬材料,實現(xiàn)材料的逐層堆積制造.金屬增材制造技術(shù)按照不同的技術(shù)原理,可以有不同的分類方式: 按照金屬原料的輸送方式可以分為鋪粉法、同軸送粉法以及送絲法,而按照能量束類型則可以分為激光增材制造、電子束增材制造以及電弧增材制造.目前,選區(qū)激光熔化技術(shù)、激光金屬沉積技術(shù)以及選區(qū)電子束熔化技術(shù)是金屬增材制造技術(shù)研究中發(fā)展較為成熟的主流技術(shù),三者的技術(shù)對比如表1 所示.

表1 金屬增材制造技術(shù)對比[22-28]Table 1 Comparison of three typical metal additive manufacturing technologies[22-28]

1.1 選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)是在惰性氣體環(huán)境下(通常要求氧含量低于200 ppm)采用高能量密度的激光束為能量源,使用切片軟件對三維模型進行切片分層處理,然后由各分層截面獲得掃描路徑,控制振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn),讓激光束照射到由鋪粉錕在成形基板上預鋪設(shè)一定層厚的金屬粉末區(qū)域,使得局部區(qū)域的金屬粉末快速熔化形成熔池區(qū),當激光束移動至另一區(qū)域時,原熔池區(qū)通過傳導、對流、輻射的熱傳遞方式會迅速冷卻凝固,待每一層的成形區(qū)域已經(jīng)發(fā)生加熱熔化和冷卻凝固后,鋪粉缸會上移預設(shè)的特定高度,工作缸則會下降預設(shè)的高度,然后鋪粉錕將再次把鋪粉缸的金屬粉末均勻地預鋪設(shè)在工作缸的上表面,開始新一層的打印過程,如此循環(huán)往復,直至完成金屬構(gòu)件的打印,如圖2(a)所示.

圖2 金屬增材制造技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic illustrations of three typical metal additive manufacturing technologies

選區(qū)激光熔化技術(shù)的激光光斑往往只有幾十至上百微米,因此成形區(qū)域小,能量密度高,可完全熔化金屬粉末,實現(xiàn)高密度、高精度、高性能金屬構(gòu)件的制備,是近年來最具潛力的金屬增材制造技術(shù)之一.由于其成形區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度梯度大,冷卻速率較快,通常可達103～ 108K/s[24],因此快速凝固可形成細小的晶粒[29],使得所制備的合金材料具有較為優(yōu)異的力學性能.Sander 等[29]通過優(yōu)化SLM的工藝參數(shù),制備了平均晶粒尺寸小于200 nm 的Fe85Cr4Mo8V2C 高強工具鋼,進一步的力學性能測試表明: 其硬度為900 HV,壓縮強度高達3800 MPa,同時保持15%的斷裂應變.Lin 等[30]利用SLM 技術(shù),制備得到高相對密度(99.71%)的FeCoCrNi 高熵合金,通過微觀表征觀測到: 所制備的合金具有大量的位錯網(wǎng)絡(luò)以及細小的晶粒.該高熵合金的屈服強度(600 MPa) 遠高于同成分鑄造合金屈服強度(140 MPa),定量分析揭示了強化主要來源于位錯強化和晶界強化[30].盡管選區(qū)激光熔化技術(shù)可以在實現(xiàn)金屬構(gòu)件近凈成形的同時,保持良好的材料性能,但因其光斑尺寸較小,鋪粉層厚較薄,成形速度較慢,所以難以制備大尺寸或者大批量構(gòu)件.因此,如何在保證成形構(gòu)件質(zhì)量的同時,縮短打印時間,提高成形效率,對選區(qū)激光熔化技術(shù)的進一步推廣具有重要意義.

1.2 激光金屬沉積技術(shù)

激光金屬沉積技術(shù),也被稱為定向能量沉積技術(shù)(directed energy deposition)、激光近凈成形技術(shù)(laser engineered net shaping)、激光熔覆技術(shù)(laser cladding) 和激光直接制造技術(shù)(directed laser fabrication)是一種在快速原型技術(shù)以及激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬增材制造技術(shù)[31].激光金屬沉積技術(shù)與選區(qū)激光熔化技術(shù)類似,同樣是在惰性氣體的保護下,采用激光束作為能量源對金屬原料進行加熱熔化,但不同的是,激光束在按照預先設(shè)定掃描路徑移動的同時,同軸送粉/絲設(shè)備會將粉體或絲材同步送入激光束在基體材料中所形成的熔池中,如圖2(b)所示,隨后冷卻凝固,與基體材料融合,逐層熔化堆積后實現(xiàn)金屬零件的制備.

激光金屬沉積技術(shù)因其成形速度快、生產(chǎn)效率高的特點,可被用于大型金屬構(gòu)件的制備.胡美娟等[31]采用該技術(shù),成功制備了尺寸為450 mm × 350 mm ×3000 mm 的大型鈦合金構(gòu)件,其質(zhì)量重達196 kg,同時具有良好的靜載力學性能和疲勞性能.此外,激光金屬沉積技術(shù)采用同軸送粉方式,通過改變送粉器中的材料成分,使得梯度材料的制備成為可能.Li 等[32]利用激光金屬沉積技術(shù)制備了Ti6Al4V 與316L 不銹鋼(SS316)疊合而成的梯度材料,其設(shè)計的合金組分呈梯度分布(Ti6Al4V→V→Cr→Fe→SS316),有效避免了在Ti6Al4V 和SS316 之間形成金屬間化合物.盡管激光金屬沉積技術(shù)的光斑尺寸較大、鋪粉層厚較厚、生產(chǎn)效率較高和可適用于大尺寸零件的制備,但其所制備零件的尺寸精度以及表面光潔度相比選區(qū)激光熔化技術(shù)較差,往往需要在成形后期進行一定的表面處理.不同于選區(qū)激光熔化技術(shù),在制備復雜結(jié)構(gòu)時,激光金屬沉積技術(shù)往往需要對懸空的桿件添加支撐,而支撐的去除容易影響打印結(jié)構(gòu)的尺寸精度,因此在設(shè)計打印金屬零件時,需要考慮零件的擺放位置以盡量減少支撐部件.在采用激光金屬沉積技術(shù)制備功能梯度材料時,則需要考慮梯度界面剛度不匹配以及開裂等問題[33].

1.3 選區(qū)電子束熔化技術(shù)

選區(qū)電子束熔化技術(shù)的原理與選區(qū)激光熔化技術(shù)類似,也是一種粉末床成形方法.但與選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)不同的是,選區(qū)電子束熔化技術(shù)采用的能量源為電子束,而電子束在氣體氛圍中往往存在嚴重的散射問題,因此,選區(qū)電子束熔化技術(shù)通常在真空環(huán)境下制備金屬零件,如圖2(c)所示.真空環(huán)境下,選區(qū)電子束熔化技術(shù)避免了選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)所存在的O,C,N 等元素對材料的污染問題[34],為活性稀有金屬構(gòu)件的制備提供了可能.此外,相比激光熱源,電能轉(zhuǎn)換為電子束的效率更高,材料對電子束的反射率低、吸收率高,能夠形成更高的熔池溫度,可成形一些高熔點金屬材料甚至是陶瓷材料[35].在采用選區(qū)電子束熔化技術(shù)制備金屬零件時,往往容易出現(xiàn)金屬粉末在熔化成形前已偏離原來位置,甚至會出現(xiàn)成形基板上粉末床的全面潰散的現(xiàn)象,這是由于粉末顆粒的導電性較差,在電子束作用下粉末會帶上電荷,粉末與粉末之間以及粉末與入射電子束之間的電荷斥力所導致的,從而出現(xiàn)了選區(qū)電子束熔化技術(shù)成形過程中特有的“吹粉”現(xiàn)象[35].因此,在電子束熔化金屬粉體前,往往需要將預先鋪設(shè)好的粉末床預熱至較高溫度,以提高粉體導電率,減少電荷累積,同時增加粉末床的黏附性,以克服電荷斥力,避免產(chǎn)生“吹粉”現(xiàn)象[35].

選區(qū)電子束熔化技術(shù)對粉體和基板的預熱溫度(可達1250 °C[24])往往高于選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)(200 °C 左右[27-28]),因而材料內(nèi)部的溫度梯度和冷卻速率較低,殘余應力小,變形和開裂的傾向降低[24,36].Liu 等[37]對比了選區(qū)電子束熔化技術(shù)和選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的Ti24Nb4Zr8Sn合金在微結(jié)構(gòu)、缺陷和力學性能之間的差異.研究表明: 選區(qū)激光熔化技術(shù)的冷卻速率快,形成了細小的β相,而選區(qū)電子束熔化技術(shù)的冷卻速率相對較慢,形成了α+β相,導致材料的壓縮強度降低[37].此外,選區(qū)激光熔化技術(shù)的光斑尺寸小,激光能量集中,容易發(fā)生Zn 的汽化,而選區(qū)激光熔化技術(shù)更高的冷卻速率則會使得氣泡更容易被凝固金屬捕捉,形成孔隙缺陷,因此選區(qū)激光熔化技術(shù)樣品的缺陷更多,疲勞性能更差[37].Lu 等[38]采用選區(qū)電子束熔化技術(shù),制備了高強高韌的Ni-Al-Cu 合金.通過微結(jié)構(gòu)表征和分析,Lu 等[38]指出Ni-Al-Cu 合金的優(yōu)異的拉伸強度(≈ 1000 MPa)源于細小等軸晶與均勻分布析出相的綜合作用,而良好的拉伸延展性(≈ 35%)則是由于位錯與位錯以及位錯與析出相之間的相互作用提高了材料的加工硬化能力.

2 金屬增材制造過程中的缺陷

目前人類已經(jīng)開發(fā)出5500 多種合金材料[42].然而,絕大部分合金材料暫時無法采用金屬增材制造技術(shù)來制備以滿足工程實際應用.這是因為金屬增材制造是一個復雜的多尺度、多物理場耦合的過程[43](如圖3 所示).在急冷急熱的環(huán)境下,熔池及其周圍區(qū)域經(jīng)歷快速熔化、冷卻、凝固的過程,此時,材料內(nèi)部容易產(chǎn)生熔合不良、氣孔、夾雜、微裂紋等微觀缺陷,甚至出現(xiàn)打印構(gòu)件的翹曲變形、開裂等宏觀缺陷,從而降低了打印構(gòu)件的力學性能,制約了金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展.因此,探索缺陷的形成原因,并尋找有效的缺陷控制方法,以減少和消除打印構(gòu)件內(nèi)部缺陷,能夠有效地促進金屬增材制造技術(shù)的推廣,從而實現(xiàn)金屬增材制造產(chǎn)品的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn).

2.1 熔合不良

熔合不良缺陷是指在金屬增材制造過程,熔覆區(qū)域存在未熔融粉末而形成搭接不良的現(xiàn)象.在以粉末為原材料的金屬增材制造過程中,激光/電子束能量呈高斯分布,中間能量高,兩邊能量低,在相鄰道次之間的熔融區(qū)域存在一定的重疊區(qū),如果該重疊區(qū)的深度小于鋪粉層厚,在相鄰道次之間就會存在部分粉末沒有熔化,從而形成熔合不良缺陷[44],如圖4(a)所示.熔合不良缺陷與工藝參數(shù)密切相關(guān),當激光輸入能量低,鋪粉較厚,掃描間距較大,此時所形成的熔池深度淺,熔池寬度窄,從而導致了相鄰道次之間沒有足夠的重熔區(qū)而形成未熔融區(qū)域,即形成了無規(guī)則形狀的熔合不良缺陷[45].相反,如果輸入能量過高,重熔區(qū)的搭接率過大,盡管可以避免熔合不良缺陷的產(chǎn)生,但會導致成形構(gòu)件表面成圓弧狀,降低其尺寸精度[46].此外,在以絲材為原材料的金屬增材制造過程中,則可能由于絲材的翹曲[47]或沉積路徑過于復雜而導致絲材的不完全熔化[48],從而形成熔合不良缺陷.因此,在采用金屬增材制造技術(shù)制備金屬零件時,不僅需要選擇成形性能好的原材料,而且要選擇適當?shù)募す夤β省伔蹖雍?、掃描間距和掃描策略等工藝參數(shù),以保證成形尺寸精度的同時,實現(xiàn)相鄰道次之間粉體/絲材的完全熔化,進而避免熔合不良缺陷的產(chǎn)生[49-51].

圖4 金屬增材制造中的缺陷Fig.4 Three typical defects in components fabricated by metal additive manufacturing

2.2 氣孔

氣孔缺陷是金屬增材制造中最常見的缺陷之一,通常是因為熔池內(nèi)氣體的逸出速度小于熔池凝固速度,導致氣體來不及從熔池逸出而被凝固組織包裹所形成的一種缺陷.氣孔缺陷的尺寸通常小于100 μm,呈近似球形形狀[52],如圖4(b)所示.在以粉末為原材料的金屬增材制造過程中,形成氣孔缺陷的氣體來源主要有3 種: 第1 種是粉體本身存在夾雜氣體,這是由于成形粉體通常采用氣霧化等方式制備,制備過程處于惰性氣體(氬氣或氦氣等)氛圍,因此,所制備得到的粉體不可避免存在一定含量的空心粉,在隨后的成形過程中,粉體中的夾雜氣體會轉(zhuǎn)移到金屬構(gòu)件中從而形成氣孔[55];第2 種是在鋪粉或送粉過程中,由于粉體流動性較差而吸附或由紊流而卷入保護氣體,當這些氣體的上浮速度較小,來不及逸出則被留在凝固組織內(nèi)形成氣孔缺陷[56];第3 種則是由于輸入的激光能量密度過大,熔池內(nèi)金屬快速汽化,產(chǎn)生強烈的反沖壓推動熔池液體向下流動,形成了又窄又深的匙孔,在匙孔內(nèi)部,激光束多次反射,激光吸收率提高,匙孔底部金屬發(fā)生汽化形成氣泡,之后匙孔坍塌,氣泡被困在熔池中,被隨后的凝固組織捕獲,從而形成氣孔缺陷[57-58].在以絲材為原材料的金屬增材制造過程中,氣孔缺陷主要來源于兩方面: 第一方面是原材料質(zhì)量導致的氣孔缺陷.如果絲材表面光潔度較差,容易出現(xiàn)一定的污染物,如水分、油污或其他碳氫化合物等,這些污染物由于高溫發(fā)生汽化后,因其在液態(tài)熔池的溶解度較大而被吸附到熔池中,待熔池溫度降低,發(fā)生液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變后,原先溶解的氣體由于溶解度的降低而析出,最終被凝固組織捕獲形成氣孔缺陷(例如氫在液態(tài)鋁合金中的溶解度為0.69 cm3/100 g,在固態(tài)鋁合金中的溶解度為0.036 cm3/100 g)[47-48].第二方面是工藝過程導致的氣孔缺陷.在制備金屬零件過程中,當輸入能量過高,原材料將發(fā)生汽化,這些氣泡如果無法及時從熔池中逸出,將被隨后的凝固組織捕獲,從而形成氣孔缺陷[59],這一缺陷形成原理與粉體原材料類似.因此,選擇球形度高、流動性好、孔隙率低的粉末或者表面光潔度高、無污染的絲材為原材料,并優(yōu)化工藝參數(shù),控制保護氣體量,減少汽化現(xiàn)象以及卷入熔池的氣體,可以達到降低構(gòu)件孔隙率的目的[56,60-61].

2.3 裂紋

裂紋是金屬增材制造構(gòu)件中典型的缺陷之一.裂紋的存在極大地降低了構(gòu)件的材料性能,甚至會引起宏觀的開裂、分層等現(xiàn)象,導致制備過程的失敗.金屬增材制造是成形材料局部快速熔化和凝固的過程,熔池區(qū)的加熱速率和冷卻速率可高達108K/s[62],在熔池周圍會形成極高的溫度梯度(≈ 106K/m)[63],由于熔池區(qū)域與周圍區(qū)域的熱膨脹不同,且存在一定的約束,加上成形材料承受復雜的熱循環(huán)歷史,可能發(fā)生相變,從而導致了殘余應力的產(chǎn)生.當殘余應力超過成形材料的強度極限時,材料內(nèi)部將會形成裂紋[56],如圖4(c)所示.此外,裂紋的形成還可能與凝固收縮有關(guān).成形材料在凝固過程中,溶質(zhì)會在固液界面附近富集,產(chǎn)生局部過冷,促進柱狀晶的生長,在凝固的柱狀晶之間則會形成一定的液體通道,隨著溫度的降低,液相體積分數(shù)減少,這些通道有可能由于凝固收縮而形成空腔或裂紋[42].為了減少成形構(gòu)件中的裂紋缺陷,國內(nèi)外學者進行了廣泛的研究.目前抑制裂紋的方法主要包括: (1)預熱基板,以降低溫度梯度,減小熱誘發(fā)的殘余應力[64-66];(2)在滿足成形材料完全熔化條件下,優(yōu)化工藝參數(shù),以降低材料內(nèi)部殘余應力[62,67];(3)調(diào)整合金成分,促進等軸晶生長,改善材料特性,以減少成形構(gòu)件裂紋[42,68].

3 工藝參數(shù)對組織形貌的影響

金屬增材制造工藝參數(shù)繁多,如激光功率、掃描速度、掃描策略、掃描間距、鋪粉層厚、成形方向等,這些工藝參數(shù)會影響生產(chǎn)零件的組織形貌,進而導致材料的性能千差萬別[69-70].在金屬增材制造過程中,研發(fā)人員需要在一定范圍內(nèi)對工藝參數(shù)進行選擇和優(yōu)化,通常通過“試錯法”來確定和優(yōu)化工藝參數(shù),這勢必造成時間和經(jīng)濟成本的浪費.因此,探究工藝參數(shù)對材料組織形貌的影響,將為新材料的研發(fā)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供重要的指導.

3.1 激光功率

激光功率是金屬增材制造中最重要的工藝參數(shù)之一,不僅影響材料的缺陷形成,而且直接決定材料的組織形貌.Zhou 等[71]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了激光功率在250～ 400 W 范圍的FeCoCrNi 高熵合金的組織結(jié)構(gòu).研究結(jié)果表明: 隨著激光功率的增大,其晶粒尺寸也會逐漸增大.Parimi 等[72]采用激光金屬沉積技術(shù)研究了不同激光功率下In718 的組織形貌,如圖5(a)所示,In718 的組織形貌在低功率下主要呈現(xiàn)均勻的細晶粒與柱狀晶的混合,晶粒取向隨機分布;而高功率下,其組織形貌則呈現(xiàn)粗大的柱狀晶組織,并存在一定的織構(gòu).高激光功率下發(fā)生晶粒粗大現(xiàn)象的主要原因有兩個: (1)高的激光功率將導致熔池附近區(qū)域的冷卻速率降低;(2)隨著成形零件厚度的增加,基板的散熱效應降低,使得上層熔池溫度更高.這兩個主要原因共同促進已經(jīng)形核的晶粒發(fā)生外延生長,從而形成粗大的柱狀晶組織,并呈現(xiàn)出特定的織構(gòu).這將導致成形材料的各向異性,降低材料的使役性能.因此,在避免因激光功率過低而導致未融合缺陷的前提下,盡量減小激光功率,有助于抑制粗大柱狀晶的形成,以提高材料的性能.

3.2 掃描速度

掃描速度在金屬增材制造過程中的可調(diào)節(jié)范圍較大,對組織形貌影響顯著,是工藝優(yōu)化的重要參數(shù)之一.掃描速度過慢,導致輸入的能量密度過高,往往會引起如前文提及的氣孔缺陷;而當掃描速度過快,則會導致輸入的能量密度過低,從而誘發(fā)局部的不完全熔化現(xiàn)象.在不產(chǎn)生缺陷范圍內(nèi),掃描速度會影響晶粒尺寸的大小,進而會影響成形構(gòu)件的力學性能.因此,選擇合適的掃描速度,以獲得優(yōu)異性能的構(gòu)件,是增材制造金屬研究人員的重要研究方向之一.Esmaeilizadeh 等[53]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了激光掃描速度對哈氏合金X(Hastelloy X)組織形貌的影響,研究結(jié)果表明: 掃描速度在850～1300 mm/s 范圍內(nèi),哈氏合金X 無明顯缺陷產(chǎn)生.Esmaeilizadeh 等[53]進一步利用電子背散射衍射技術(shù)表征了掃描速度為850 mm/s,1150 mm/s 和1300 mm/s 的哈氏合金X 組織形貌,發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度的增加,沿法線方向平面和沿打印方向平面的晶粒尺寸將會逐漸減小,如圖5(b) 所示.Li 等[73]和Wang 和Chou[74]分別在Ti45Al2Cr5Nb 和Ti6Al4V 合金中發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象.這是因為掃描速度增加,相當于激光能量作用于粉末材料的平均時間縮短,激光能量輸入減小,熔池區(qū)域尺寸隨之減小,晶?？缮L的空間范圍相應縮小[53],考慮到較小的熔池可以與周圍區(qū)域進行更快的熱傳遞,其冷卻速率也隨之提高,從而有利于晶?？焖傩魏?最終導致平均晶粒尺寸更小.

圖5 工藝參數(shù)對組織形貌的影響Fig.5 Influences of processing parameters on microstructures

3.3 掃描策略

在金屬增材制造過程中,掃描策略是指調(diào)整打印層與層之間的角度,以及改變單層內(nèi)的掃描方式,包括單向掃描策略、雙向掃描策略、島嶼掃描策略、螺旋掃描策略等[75].掃描策略會影響材料成形過程中的局部溫度梯度和冷卻速率,進而影響晶粒的生長和打印構(gòu)件的組織形貌,是金屬增材制造重要的工藝參數(shù)之一.Liu 等[76]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了層與層之間旋轉(zhuǎn)角度對低活化鐵素體-馬氏體(chinese low-activation ferritic/martensitic steel,CLF-1)鋼的組織形貌影響,如圖5(c)所示.研究發(fā)現(xiàn): 層間旋轉(zhuǎn)角度為0°的X 掃描策略(scan strategy X,見圖5(c))所產(chǎn)生的組織呈現(xiàn)有規(guī)律的條帶狀分布,掃描軌跡中心處由于冷卻速率較慢,晶粒生長速度快,主要呈現(xiàn)為粗大的晶粒形貌,而掃描軌跡邊緣的冷卻速率較快,晶粒生長速度慢,傾向于形成細小的等軸晶;而層間旋轉(zhuǎn)角度為45°的XY45 掃描策略(scan strategy XY45,見圖5(c))所產(chǎn)生的組織則呈現(xiàn)為棋盤狀特征[76].Thijs 等[77]研究了選區(qū)激光熔化技術(shù)中掃描策略對Ti6Al4V 的組織形貌的影響.研究結(jié)果表明: 晶粒的長大方向與掃描策略有關(guān),采用單向掃描策略時,晶粒沿熔池方向生長,容易形成柱狀晶,而采用雙向掃描且層間旋轉(zhuǎn)90°的掃描策略時,則更傾向于形成等軸晶[77].盡管掃描策略類型較多,但考慮到實際工業(yè)應用的簡便,通常采用層內(nèi)雙向掃描并結(jié)合層與層之間旋轉(zhuǎn)特定角度的掃描策略.

4 成形材料及其力學性能

金屬增材制造技術(shù)拓展了金屬材料的制備方法.目前,金屬增材制造技術(shù)不僅可以用于制備鈦合金、鋁合金、鎳基合金和鐵基鋼材等傳統(tǒng)工業(yè)合金,而且被研究者們應用于制備高熵合金、非晶合金等新型合金.金屬增材制造技術(shù)由于其特殊的循環(huán)加熱-冷卻過程,構(gòu)件內(nèi)部往往會形成細小的微結(jié)構(gòu),從而具有比同類鍛造或鑄造材料較為優(yōu)異的力學性能,如圖6 所示.此外,金屬增材制造技術(shù)具有靈活的加工過程以及寬泛的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍,可以根據(jù)零件的實際需求,通過改變材料組分或調(diào)整工藝參數(shù)以獲得所需的材料性能來滿足各類應用需求.為了充分發(fā)揮金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)勢,需要對成形材料及其力學性能進行深入研究.

圖6 金屬增材制造合金的極限拉伸強度與延展性的Ashby 圖Fig.6 Ultimate tensile stress vs.elongation of various alloys produced by metal additive manufacturing

4.1 傳統(tǒng)合金

金屬材料是工業(yè)發(fā)展的重要基石,目前采用金屬增材制造技術(shù)成功制備且研究較為深入的傳統(tǒng)合金類型主要包括鈦合金[78-80]、鋁合金[81-83]、鎳基合金[84-86]和鐵基合金[87-89]等,通過選擇合理的工藝參數(shù),可以獲得致密度在99%以上的金屬構(gòu)件[90-91],其綜合力學性能往往優(yōu)于鑄造件,并且可與鍛造件相媲美,甚至超過鍛造件[38,92].在眾多常用的工業(yè)合金中,鐵基合金無疑是工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的金屬材料(占比約為80%)[93],因此采用金屬增材制造技術(shù)制備性能優(yōu)異的鐵基合金吸引了較為廣泛的研究興趣.近期的綜述論文[94]指出,相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)制備的316L 不銹鋼(屈服強度為230～ 290 MPa,拉伸強度為580～ 590 MPa),采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的316L 不銹鋼具有更優(yōu)異的屈服強度和拉伸強度(分別可以達到350～ 660 MPa 和480～ 800 MPa),其強度的提高與局部激光熔化后高冷卻速率導致的微結(jié)構(gòu)細化有關(guān)[95].Wang 等[92]通過優(yōu)化打印參數(shù),制備出含高位錯密度的316L 不銹鋼,拉伸測試表明,其拉伸強度可達640～ 700 MPa,且均勻延伸率可達36%～ 59%,實現(xiàn)了高強度和高延伸率的匹配.這種優(yōu)異的力學性能源于高密度位錯在材料內(nèi)部形成了亞微米的位錯胞,不僅阻礙了位錯的進一步運動,而且提高了變形過程中材料的加工硬化能力.最近,Kurnsteiner 等[96]研究發(fā)現(xiàn),使用激光金屬沉積技術(shù)制備Fe19Ni5Ti 合金過程中,在打印的層與層之間增加90 s 左右的間歇時間,打印層的溫度會降低至馬氏體溫度以下(如圖7(a)所示),從而形成微米級的馬氏體和納米級的鎳-鈦納米沉淀相(如圖7(b)所示),顯著提高了Fe19Ni5Ti 的硬度.進一步的力學性能測試結(jié)果表明,增加間歇時間的Fe19Ni5Ti 合金的拉伸強度可達1300 MPa,同時保持10% 的延伸率,其力學性能顯著優(yōu)于無間歇的Fe19Ni5Ti 合金[96](如圖7(c)所示).這一研究提出的沉淀強化和局部微結(jié)構(gòu)控制方法為金屬增材制造技術(shù)制備性能優(yōu)異的金屬材料提供了新思路,具有潛在的應用前景.

圖7 Fe19Ni5Ti 合金的制備、表征與力學性能測試[96]Fig.7 Preparation,characterization and tensile testing of Fe19Ni5Ti alloy[96]

4.2 高熵合金

高熵合金是由Yeh 等[97]和Contor 等[98]分別獨立提出的一種新型合金設(shè)計理念.不同于傳統(tǒng)合金,高熵合金是由4 種或更多金屬元素按照等原子比或近等原子比進行混合,形成的單相固溶體合金.高熵合金具有多主元特性,因此也被稱為多主元合金.由于獨特的結(jié)構(gòu)組成,高熵合金具有嚴重的晶格畸變效應、高熵效應、遲滯擴散效應以及雞尾酒效應[99],因此表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能(如高強度[100-101]、高硬度[102]、良好的耐磨性[103]、抗輻照性能[104]等).高熵合金是目前最具應用潛力的一種新型金屬材料[99].目前,如何將金屬增材制造技術(shù)與高熵合金設(shè)計理念相結(jié)合制備性能優(yōu)異的高熵合金(如圖8 所示),已經(jīng)成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點之一.Dobbelstein等[106]采用激光金屬沉積技術(shù),通過改變成形粉體中Z r 和N b 粉體的組分含量,制備了組分從Ti25Zr50Nb0Ta25到Ti25Zr0Nb50Ta25連續(xù)變化的難熔高熵合金.在Zr 組分低于25% 的區(qū)域內(nèi)(即富Nb 貧Zr 區(qū)),其組織結(jié)構(gòu)為單一的體心立方相,材料硬度低于240 HV.隨著Zr 組分含量的提高,在富Zr 基底中析出的富Ta 第二相,能夠起到釘扎晶界的作用,導致晶粒細化,結(jié)合固溶強化效應(相比其他幾種原子,Zr 原子的晶格常數(shù)最大),材料硬度得到顯著的提高(超過400 HV).Li 等[107]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備了重量含量12% TiN 納米顆粒的CoCrFeNiMn 高熵合金,發(fā)現(xiàn)TiN 顆粒均勻分布在CoCrFeNiMn 基體中,并且可以起到弱化織構(gòu)、細化晶粒的作用,由于TiN 的彌散強化以及晶粒細化導致的晶界強化,其拉伸強度可達1100 MPa,遠高于無TiN 納米顆粒的同成分材料.在合金材料中添加納米顆粒,除了可以提高材料性能外,還能夠增加成形過程中晶粒形核位點,有助于形成細小的等軸晶,抑制打印過程中的裂紋萌生[42].Chen 等[108]總結(jié)了AlxCoCrFeNi,CoCrFeMnNi,TaZrNbTa 等多種高熵合金體系在金屬增材制造過程中的微結(jié)構(gòu)演化,并對比了采用金屬增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造方式制備得到的高熵合金的力學性能,表明金屬增材制造過程中的快速凝固有助于細小微結(jié)構(gòu)的形成,從而使得材料具有更高的屈服強度和更好的延展性,并且通過熱等靜壓法等后處理工藝可以消除構(gòu)件缺陷和殘余應力,進一步提升高熵合金的性能.

圖8 金屬增材制造技術(shù)與高熵合金設(shè)計理念相結(jié)合[105]Fig.8 Integration of metal additive manufacturing technology and high-entropy-alloy design strategy[105]

4.3 非晶合金

非晶合金是一種長程無序、短程有序的玻璃態(tài)金屬材料,通常也被稱為金屬玻璃(metallic glasses).非晶合金由于其獨特的原子結(jié)構(gòu)特征,展示了優(yōu)異的力學性能[109]、光學性能[110]和磁性性能[111],是材料研究的重要領(lǐng)域之一.然而,由于非晶合金的制備要求其熔體的冷卻速率極快(105～ 106K/s),這對于傳統(tǒng)的鑄造工藝存在極大挑戰(zhàn),從而限制了大尺寸非晶合金的制備[112].此外,非晶合金不存在傳統(tǒng)晶體材料的位錯、層錯等缺陷,其變形能力較低,可加工性較差[112],因此難以滿足復雜幾何形狀的工業(yè)設(shè)計需求.金屬增材制造技術(shù)由于其固有的高冷卻速率與設(shè)計靈活性,為大尺寸非晶合金的制備提供了一種新的途徑.Lu 等[113]采用激光金屬沉積技術(shù),通過控制激光功率與掃描速度的比值,成功制備了枝晶體積分數(shù)隨厚度梯度變化的Zr 基非晶合金(如圖9(a)所示).力學性能測試結(jié)果表明,與鑄造的同成分非晶合金和激光金屬沉積技術(shù)制備的無梯度非晶合金相比,梯度非晶合金不僅有超高的屈服強度(＞ 1.3 GPa),而且具有良好的拉伸延展性(≈ 13%)[113],如圖9(b)所示.Lu 等[113]指出梯度非晶合金優(yōu)異的力學性能主要源于相鄰梯度層之間的相互作用和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的異步變形模式的協(xié)同強化.這種梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計和其中的強韌化機理,為解決非晶合金塑性低的難題提供了一個新思路.針對非晶合金中由于熱應力引起的微裂紋問題,Li 等[114]提出了,在采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備脆性Fe 基非晶合金過程中,引入了低屈服強度、高斷裂韌性的Cu 和Cu-Ni 合金的策略.研究結(jié)果表明: 在制備過程中,引入的第二相中形成了高密度位錯,這些高密度位錯運動降低了樣品內(nèi)部的殘余應力,起到了抑制裂紋萌生的作用,進而顯著提高了Fe 基非晶合金的斷裂韌性(2.2 MPa·m1/2提高至47 MPa·m1/2)[114].

圖9 Zr 基非晶合金的制備及其力學性能[113]Fig.9 Preparation and tensile testing of Zr-based metallic glass[113]

5 挑戰(zhàn)與展望

金屬增材制造技術(shù)因其獨特的制造原理,不僅能夠制備幾何復雜的構(gòu)件,而且成形過程中所形成的細小微結(jié)構(gòu)有助于材料力學性能的提升.因此,金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)成為汽車制造、航天航空等領(lǐng)域最具潛力的先進制造技術(shù)之一.隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,其精度和速度將會不斷提升,金屬增材制造技術(shù)必將為未來制造業(yè)的發(fā)展帶來巨大的變革.目前金屬增材制造在以下幾個方面亟待開展深入系統(tǒng)的研究.

(1)擴充可打印的合金體系.合金是現(xiàn)代工業(yè)以及生產(chǎn)生活中最重要的材料,盡管人類目前已經(jīng)開發(fā)出數(shù)千種合金材料,然而可應用于金屬增材制造技術(shù)的可打印合金體系卻十分有限,主要包括鈦合金(Ti6Al4V)、鋁合金(AlSi10Mg)、鎳基高溫合金(In718)、不銹鋼(316L)等,而大部分合金體系或因制備的構(gòu)件中存在明顯缺陷(如孔洞、裂紋),或因制備過程中存在起翹、分層等問題而導致材料制備的失敗.因此,解決上述難題以擴充可打印合金體系,將大大拓展金屬增材制造技術(shù)的應用前景.

(2)量化缺陷與殘余應力對材料性能的影響.對于金屬增材制造構(gòu)件,難免由于工藝參數(shù)的選擇不當而在構(gòu)件內(nèi)部形成熔合不良、氣孔以及微裂紋等缺陷,這些缺陷會降低材料性能.此外,循環(huán)加熱冷卻的熱歷史過程會在材料內(nèi)部形成殘余應力,可能導致材料的變形,影響構(gòu)件成形尺寸精度和力學性能.但是,目前構(gòu)件中的缺陷與殘余應力對其使役性能的影響尚無量化標準,難以判斷構(gòu)件是否滿足使役要求,這與缺陷特征的復雜性(包括缺陷的幾何形狀、無規(guī)則的空間分布等),以及殘余應力分布的復雜性(包括殘余應力大小、空間分布等)等原因有關(guān).目前只能通過唯象方法定性描述缺陷、殘余應力對材料性能的影響.因此,建立耦合缺陷特征和殘余應力的理論模型,量化缺陷、殘余應力與材料使役性能(拉伸性能、疲勞性能、抗沖擊性能等)之間的聯(lián)系,對預測成形構(gòu)件的使用壽命,評估其是否滿足使役要求具有重要指導意義.

(3)發(fā)展可預測組織形貌的模擬方法.前文綜述可知,金屬增材制造技術(shù)的工藝參數(shù)繁多,不同的工藝參數(shù)對材料的組織形貌影響顯著,進而會影響其力學性能和使役性能.目前通常根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗以及“試錯法”來尋找合理的可成形工藝參數(shù),如需進一步優(yōu)化參數(shù),獲得性能更為優(yōu)異的構(gòu)件,往往需要更高的“試錯”成本,不僅造成人力物力的浪費,而且未必能夠得償所愿.因此,發(fā)展可以預測組織形貌的模擬方法(如元胞自動機方法、相場法等),有助于降低實驗成本和時間成本,從而加快適用于增材制造的新型合金材料的研發(fā).

(4)建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫與相關(guān)標準.實現(xiàn)“材料-參數(shù)-結(jié)構(gòu)-性能”一體化設(shè)計,最大程度減小工藝研發(fā)時間,是金屬增材制造技術(shù)人員所追求的目標.盡管目前對金屬增材制造的研究越來越多,但對其工藝參數(shù)選擇、材料性能的評價體系卻無統(tǒng)一的標準,容易造成對同一材料無意義的重復研究工作.因此,建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫與相關(guān)標準,從目標結(jié)構(gòu)與性能出發(fā),直接由數(shù)據(jù)庫獲得所需材料、工藝參數(shù),并依據(jù)相關(guān)標準制造,可大大節(jié)約研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,從而有利于金屬增材制造技術(shù)的推廣.

6 結(jié)束語

經(jīng)過近30 年來的發(fā)展,金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)從最初的設(shè)計理念走向了如今的工業(yè)制造.在發(fā)展過程中所衍生出的選區(qū)激光熔化技術(shù)、激光金屬沉積技術(shù)和選區(qū)電子束熔化技術(shù),已經(jīng)逐步應用于航天航空、交通運輸、生物醫(yī)療等領(lǐng)域.金屬增材制造技術(shù)的逐層加工制造方法,使其具備生產(chǎn)任意復雜幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力,同時避免了切削加工所引起的材料浪費,在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的同時,降低了制造周期和生產(chǎn)成本,展現(xiàn)出廣闊的應用前景,是現(xiàn)代制造工業(yè)的重要分支和發(fā)展方向.隨著金屬增材制造研究的不斷深入和技術(shù)的快速發(fā)展,研究人員將進一步揭示材料缺陷形成原理,闡明工藝參數(shù)對組織形貌的影響,在成形材料方面也將不斷推陳出新,從傳統(tǒng)合金材料逐漸轉(zhuǎn)向高熵合金、非晶合金等新型材料.這些研究成果將會為今后的工業(yè)制造和材料研發(fā)提供新途徑和新思路.目前,在金屬增材制造的研究領(lǐng)域中存在一些亟待解決的問題或挑戰(zhàn): 包括如何找到有效的方法擴充可打印的合金體系、量化缺陷與殘余應力對材料性能的影響、發(fā)展穩(wěn)定可靠的組織形貌模擬方法以及建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫和相關(guān)標準等.