長三角G60鐳射聯盟導讀

據悉，本研究旨在研究鐳射束粉末床熔合（LB-PBF）零件的表面紋理與內部缺陷或密度之間的相關性。

摘要

在金屬增材製造技術的實施過程中，現場監控和反饋控制系統的可用性確保了高質量的成品零件的製造。

本研究旨在研究鐳射束粉末床熔合（LB-PBF）零件的表面紋理與內部缺陷或密度之間的相關性。在本研究中，透過將LB-PBF工藝應用於In 718鎳合金粉末，製備了120個立方樣品。根據ISO 25178–2標準，確定了製造樣品的密度和35個表面紋理引數。使用統計方法，觀察到區域表面紋理引數與樣品內的密度或內部缺陷之間存在很強的相關性。特別是，減小的谷高、巖芯高度、均方根高度和均方根梯度的區域表面紋理引數與樣品密度具有很強的相關性。因此，對這些區域表面紋理引數的現場監測可以有助於將其用作反饋系統中的控制變數。

介紹

金屬增材製造（AM），尤其是粉末床熔合（PBF），被認為是創造具有精緻材料效能和複雜結構的新材料的重要過程。

該工藝涉及使用鐳射或電子束作為熱源。然而，人們對使用PBF工藝獲得的成品零件的質量提出了一些擔憂。這些問題涉及到成品零件中出現氣孔和未熔合等缺陷，以及由於PBF工藝固有的特性導致加工過程中表面粗糙度的加深。發現PBF製造零件的機械效能和表面粗糙度低於鍛造材料。因此，為了儘量減少PBF加工過程中缺陷的發生並確保成品零件的高質量，開發了監控和反饋控制系統。

對於所述系統的開發，重要的是闡明在鐳射束PBF（LB-PBF）過程中發生的物理現象。粉末特性影響其重塗行為，從而影響鐳射照射引起的熔化和凝固現象，進而影響成品零件的質量。現有的研究已經調查了熔池行為以及缺陷發生的原因，如氣孔和未熔合。

先進光子源32-ID-B光束線鐳射粉末床融合過程高速X射線成像和衍射實驗示意圖。

與成品零件質量相關的要求包括滿足標準化機械效能要求、表面粗糙度標準和精度。

這些特性受到鐳射輻射引起的熔化和凝固現象的影響。因此，熔化和凝固過程中出現的內部缺陷和表面粗糙度不一致被認為會影響成品零件的質量。鐳射功率、掃描速度、陰影間距和層厚度被確定為LB-PBF-LB工藝引數的基本引數。

馬蘭戈尼對流和反衝壓力之間的競爭主要決定了質量和傳熱的程度，以及熔化過程的動力學。熔池中極高的不均勻熱分佈導致較大的表面張力梯度，為馬蘭戈尼對流創造了條件。表面液體從鐳射加熱區的中心（較低的表面張力）流向周圍區域（較高的表面張力），熱量也是如此。同時，鐳射能量的吸收導致鐳射束周圍的強烈金屬蒸發，金屬蒸汽的快速移動產生反衝壓力梯度和隨之而來的熔體噴射。表面張力和反衝壓力的平衡也控制著上圖a所示的熔化過程，但在圖b所示的情況下，它們對熔池動力學和粉末運動的集體影響要大得多。

本研究旨在研究LB-PBF零件的表面紋理與內部缺陷或密度之間的相關性，從而為開發能夠防止LB-PBF零件缺陷發生的現場監測和反饋控制系統提供指導。

結果和討論

工藝引數與密度的關係

本研究中進行的實驗包括製作尺寸為10 × 10 × 10 mm（圖1A）。使用配備有1kW單模光纖鐳射器的PBF測試臺進行樣品製造，在氮氣環境（氧氣含量 < 0。1重量%）。在寬範圍的鐳射功率（高達800 W）和掃描速度（高達2850 mm/s）值上研究了工藝引數和密度之間的關係，這大大超過了現有研究中報道的那些。

圖1 透過工藝引數和密度之間的相對密度評估的關係，（A）立方樣品；（B）鐳射功率和掃描速度之間的過程圖；（C）相對密度和能量密度之間的關係。

使用本研究中製造的120個立方樣品的相對密度值評估的鐳射功率與掃描速度的過程圖如圖1B所示。透過將竣工樣品的基於阿基米德原理的密度除以其相應的真實密度（8。20 g/cm3）來計算相對密度。圖1B中的低功率和低掃描速度區域對應於超過99。7%的高相對密度值。

製造的立方樣品的能量密度和相對密度之間的關係如圖1C所示。相對密度隨著能量密度的增加而增加，並達到其最大值（稱為“全密度”），對應於大約35 J/mm3的能量密度值。其他材料也可以觀察到類似的趨勢，儘管這不僅取決於材料，還取決於粉末和鐳射特性。儘管大多數情況下，包括對應於400W鐳射功率的情況下，都遵循這一趨勢，但很少有情況不符合這一趨勢。

圖2描繪了高密度和低密度立方體樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線計算機斷層掃描（XCT）影象；分別使用JEOL JSM-7800F和Nikon XT H225ST捕獲這些影象。

使用43。5 J/mm3的足夠能量密度製造的全密度樣品的SEM和XCT影象顯示，直徑小於10µm的微孔很少（圖2A、C、E）。同時，在29J/mm3的低能量密度下製造的相對密度為98%的樣品（XCT-2）的SEM和XCT影象顯示了大量大量的未熔合缺陷（圖2B、D、F）。

圖2立方樣品內部缺陷的觀察。

因此，在2000 mm/s掃描速度和超過35 J/mm3的能量密度下，可以在消耗小於500 W鐳射功率的情況下製造出接近真實密度的樣品。此外，相對密度超過99。7%的樣品的結構特徵在於存在小於 ~ 直徑為10µm（圖2G）。這不會顯著影響LB-PBF IN718的疲勞強度。因此，將99。7%的相對密度設定為閾值。

樣品S1–S9（參見圖1B，C）的光學顯微鏡（OM）影象如圖3所示。如圖所示，全密度樣品S7、S8和S9中存在極少的缺陷。同時，相對密度為99%的樣品S4中存在少量孔隙，而相對密度較低的樣品S1、S2和S3中可觀察到沒有熔合缺陷和孔隙。隨著材料相對密度的降低，這些缺陷變得更加突出。

圖3 樣品（S1–S9）橫截面的OM影象。使用Mx版本7。3。0。5建立的影象。

在涉及使用高鐳射功率的製造條件下，微孔作為鍵孔或氣孔存在，同時沒有熔合缺陷，如圖3中樣品S1和S3所示。

Cunningham等人27使用Ti–6Al–4 V合金的鐳射功率和掃描速度之間的工藝圖，闡明瞭小孔配置和工藝引數（鐳射功率和鐳射掃描速度）之間的關係，其各自的值分別為500 W和1200 mm/s。正如Martin等人24所報道的那樣，他們揭示了鎖孔孔保留在鎖孔底部的趨勢，這是因為隨著鐳射功率的增加，鎖孔深度增加。圖1B所示工藝圖的分析表明，在高相對密度（> 99。7%）區域。然而，在該區域之外，未熔合缺陷和微孔的出現顯著增加。因此，在高功率和高掃描速度的條件下製造的低密度樣品（S1和S3）的區域以存在若干未熔合缺陷為特徵。這證實了內部缺陷的形態，如未熔合和微孔形成，與樣品密度有很強的相關性。

Ti-6Al-4V鐳射粉末床熔融過程中熔池的動態演變。

上圖顯示了相同LPBF過程中熔池的一系列X射線影象。型腔和熔池分別使用藍色和紅色虛線勾勒出輪廓。這裡只描繪了母材中的熔池結構，因為可以直接觀察粉末床中的液態金屬，而無需藉助任何影象處理。在這些影象中，由反衝壓力引起的空腔或凹陷區相比之下顯得輕得多，並且很容易識別。由於液體和固體Ti-6Al-4V之間的密度差很小，熔池外部邊界的識別更具挑戰性，但這可以透過使用簡單影象分析方法來實現。

表面紋理與內部缺陷的關係

對應於圖1B的示意工藝圖與樣品S1–S16的表面紋理和內部缺陷疊加在一起，如圖4A所示。

參考這些圖表明，對於高密度樣品S15和S16，軌跡（熔池軌跡）的寬度保持相對恆定，並且在這些軌跡之間不能觀察到凹槽。如前所述，全密度樣品中存在可忽略的孔隙。相反，低密度樣品S10、S12和S13中的所述軌跡寬度保持不規則，並且表面包含多個凸起和凹槽。因此，在較低的鐳射功率下觀察到較寬的凹槽，並且鐳射功率的增加增加了軌道的寬度和不均勻性。此外，儘管密度與S10相似，但使用最高鐳射功率（600W）製造的樣品S11的表面的特徵在於更寬的軌跡和凹槽以及更大的軌跡不均勻性。這可歸因於高能量密度下瑞利-高原毛細管不穩定性導致的熔池大膨脹（“珠狀”）。因此，這些樣品中出現了熔合缺陷和氣孔。

圖4 表面紋理與內部缺陷的關係。

因此，可以推斷，製造樣品的材料密度和內部缺陷與其表面紋理密切相關。因此，所有立方體樣品的表面紋理引數都被量化，並研究了它們與材料密度的相關性，以將這些引數應用於監測和反饋系統。

在LPBF工藝中，通常會觀察到粉末飛濺的噴射，並且過多的噴射顆粒會對建築過程產生負面影響。

噴射的粉末和熔融液滴將落回粉末床，除非透過氣流等方式去除。如果這些顆粒落在正在構建的零件內，它們可能會導致最終產品中的結構缺陷，然而，如果它們飛離構建區域足夠遠，它們仍然可能透過產生結塊而成為粉末回收的問題。此外，鐳射掃描路徑附近經常伴隨著粉末噴射而形成剝蝕區，這導致構建精度和質量較差。

跟蹤Ti-6Al-4V鐳射粉末床熔合過程中的粉末運動。

圖5描述了在低功率和低掃描速度條件下製造的樣品的CSI影象。

在恆定鐳射功率下，表面粗糙度隨著掃描速度的增加而增加。這種不均勻性可以在低密度樣品的整個表面上觀察到。同時，在恆定掃描速度下，由於熔池寬度和不穩定性的增加，表面不均勻性隨著鐳射功率的增加而增加。與圖4B所示的SEM影象中所示的表面相比，圖5中的低密度樣品表面顯示出更嚴重的不均勻性，這是由於軌跡之間出現了凹槽，即沒有熔合缺陷和飛濺。相比之下，在中等密度（99–99。7%）的樣品表面上可見的缺陷更少。相應地，由於形成規則軌跡和低飛濺計數，全密度樣品的表面紋理保持均勻。因此，由於CSI影象與SEM結果具有很強的對應性，因此可以用於評估製造樣品的表面紋理。這表明，可以使用樣品表面的CSI影象來預測樣品的材料密度或內部缺陷狀態。

圖5 低功率和低掃描速度區域的標本的CSI影象。

用表面紋理引數預測材料密度和缺陷

先前的研究研究了CSI影象，證明了工藝引數對材料表面紋理的影響。

然而，如前幾節所述，工藝引數和表面紋理之間的關係很複雜。儘管先前的研究已經研究了表面紋理和材料密度之間的相關性，但表面紋理引數和密度或內部缺陷之間的相關性仍有待定量研究。

在基於CSI的表面紋理評估過程中，由於鐳射反射不足，很難對具有陡坡和複雜粗糙度的表面進行可靠的測量。如前所述，由於在某些製造條件下飛濺和不穩定的軌跡形成，樣品表面顯示出複雜的粗糙度，因此表面紋理引數的值預計會因未測量資料而出現較大變化。在高鐳射功率下製造的樣品，未測量資料（黑色區域）的百分比明顯增加。

在對88個樣品的表面紋理引數進行評估後，使用測量資料計算了ISO 25178–2標準中規定的35個區域表面紋理引數。

由於表面紋理與樣品密度具有很強的相關性，因此使用最大資訊係數（MIC）進行了非線性相關性分析。面狀表面紋理引數與立方樣品相對密度之間的相關性如圖6所示。地形高度分佈引數的相關係數的相應值，即斜度Ssk和峰度Sku分別為0。42和0。34。斜度Ssk是圍繞平均平面的表面偏差不對稱性的度量，峰度Sku是表面高度分佈的峰度或銳度的度量。這些引數表明與樣品密度的相關性較弱。可以發現，面狀表面紋理引數Svk、Sk、Sq和Sdq與樣品密度密切相關。

圖6 35個面表面紋理引數與120立方樣品相對密度的相關性。

特別是，透過測量岩心粗糙度以下的谷深獲得的減小谷深Svk與樣品密度具有很強的相關性。它可以被評估為直角三角形的高度，該直角三角形的面積等於ISO25178-2標準中定義的從核心表面突出的谷面積。這意味著，面積材料比曲線的中心區域（即Svk）中的等效直線的梯度隨著表面粗糙度高度差和谷體積的增加而增加。因此，可以使用Svk可行地評估樣品表面紋理與相對較大的缺陷（如未熔合）之間的相關性。因此，以高相關係數為特徵的地形高度分佈引數Svk、Sk、Sq和Sdq可被認為是評估成品零件密度相關性的有效引數。

總之，所提出的研究揭示了區域表面紋理引數的存在，特別是Svk、Sk、Sq和Sdq，這些引數與LB PBF製造樣品的密度或內部缺陷密切相關。

這一發現使得能夠使用樣品的原位表面紋理監測來預測其結構中的密度或內部缺陷。為此，可以設定區域表面紋理引數Svk、Sk、Sq或Sdq的閾值。此外，這些引數值的現場監測可用於實現反饋控制，該反饋控制能夠透過消除缺陷產生來生產穩定、高質量的零件。

參考文獻：Materials for additive manufacturing。 CIRP Ann。 Manuf。 Technol。 66， 659–681 （2017）。；Additive manufacturing of metallic components–process， structure and properties。 Prog。 Mater。 Sci。 92， 112–224 （2018）。

長三角G60鐳射聯盟陳長軍轉載