激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战（2）

导读：本文探讨了激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战。本文为第二部分。
激光功率
激光功率作为激光加工的关键工艺参数之一，直接决定了热输入和熔池的温度。图5和图6总结了不同参数对L-DED不锈钢熔体池尺寸和孔隙率的影响。如图5(a - b)所示，Song等人的研究表明，随着激光功率的增加，单轨(熔体池阵列，其宽度和高度与单一熔体池相同)的宽度和高度都显著增加。这是因为更高的激光功率产生更高的输入能量传递给被辐射的材料，这导致更多的粉末被熔化。因此，产生了更大的熔池。这也表明了更高的捕获效率，这是评估激光工艺效率的重要基准标准，定义为熔体池中捕获的粉末与交付的粉末的比率。
此外，激光功率也与球化现象密切相关，球化现象是一种由粉末颗粒不均匀重组而产生的缺陷，在激光熔覆和焊接中已经得到了很好的研究。由于LAM是一种分层制造工艺，球化现象严重阻碍了均匀层沉积，并导致层间孔隙的形成，甚至在热应力作用下发生分层。如图7(b)所示，较低的激光功率与L-PBF过程中明显的球化现象有关。这是由于激光能量输入较低时，粉末颗粒熔化不足造成的。Gu及其同事在L-PBF制备的316L不锈钢中也报道了类似的结果，由于球化现象，较低的激光功率导致试样中孔隙率较高。通过增加激光功率使粉末完全熔化，可以明显缓解这一问题，如图6(a)所示。

图5 加工参数对L-DED型钢单轨尺寸的影响:扫描速度、激光功率和进给速度对420不锈钢轨道(a)宽度和(b)高度的影响;(c)进给速度对H13工具钢轨道厚度误差的影响;(d)扫描速度、(e)进给速度和(f)比能对316不锈钢轨迹高度的影响。


图6 工艺参数对L-PBF和L-DED制备的钢试样气孔率的影响:(a)激光功率;(b)粉进料速度;(c)扫描间距;(d)涂层厚度和激光功率;(e)扫描速度和层厚;(f)扫描速度 通常，由LAM产生的钢样品中的孔隙是在层与层之间的未熔合区域观察到的，称为未熔合孔。激光功率越大，预扩散或喷射粉末的熔化程度越高，相邻两层之间的重叠程度越高，熔化孔的缺失程度越低。但如前文所述，当激光功率过大时，熔化模式会转变为小孔模式，由于金属蒸发强烈，熔化池底部会产生较大的小孔孔(图3(a))。这降低了零件的密度。因此，适当的激光功率对于实现捕获效率、缺乏聚变和锁孔跃迁之间的折衷至关重要。


图3 (a) L-PBF，(b,c) L-DED和(d-f)激光焊接在不同工艺参数下制备的钢熔体熔池形貌的变化。(a)中的数字表示熔体池对应的激光功率(W)。 Zhang等发现，随着激光功率的增加，L-DED316L熔覆层中的枝晶组织逐渐由薄变粗，导致硬度和拉伸性能下降。一般来说，激光功率越大，能量输入越大，冷却速率越低，相应的微观结构越粗。而Zhang等报道的SEM图像只显示了枝晶形态，由于枝晶偏析严重，没有观察到晶界。电子背散射衍射(EBSD)可能是表征晶粒和纹理的更合适的方法。激光功率不仅可以控制晶粒形貌，还可以控制织构。Sun和同事报道了L-PBF制造的316不锈钢样品在380 W激光功率下的外延性能为<001> 纹理沿建筑方向(图9(a))，这与LAM之前对其他立方结构材料的研究一致。然而，一个建立了950 W的激光功率显示<011>纹理沿建筑方向(图9(b))。
DebRoy等对LAM过程中外延晶粒生长和织构形成的机理进行了全面的探讨。添加态多晶合金的晶粒取向与熔体池的形状密切相关，熔体池的形状由合金的AM工艺参数和热物理性能决定。根据Sun等(图9(c-f))的动力学Monte Carlo模拟结果，较低功率(380 W)下的熔体熔池比高功率(950 W)下的熔体熔池要宽、浅得多，说明在380 W下，凝固过程中熔体熔池边界处的热流方向与成型方向相反。因此，熔池中柱状晶粒倾向于从下向上直长，导致熔池中柱状晶粒呈<001> 纹理沿着建筑方向，如图9(d)所示。在后续层沉积后，这些晶粒进一步外延生长，形成大的柱状晶粒，样品中平均晶粒面积约为310 μm2。
相比之下，在950 W激光功率下，较窄和较深的熔体池的特征是熔体池边界处有曲率，如图9(f)所示。在凝固过程中，柱状晶粒向熔池顶部中心垂直于弯曲熔池边界生长，并倾向于从建筑方向倾斜45°。这将导致一个<011> 沿建筑方向的晶体纹理。此外，这种柱状晶粒的生长促进了熔池顶部中心等轴晶粒簇的形成(图9(e,f))，阻止了柱状晶粒的进一步生长。因此，尽管950 W试样熔体池较大，但其晶粒细化程度较380 W试样要小得多，平均晶粒面积约为180 μm2。


图9 激光功率分别为380 W (a)和950 W (b)时，L-PBF制备的316L不锈钢样品的晶体织构(a,b)和拉伸性能(c)。晶体方向沿建筑方向观察，如图(a)所示箭头所示。380 W (c,d)和950 W (e,f)[23]样品的动力学蒙特卡罗模拟结果的等距和正面视图。

沉积过程包括从计算机生成的三维实体模型生成刀具路径。刀具路径系统地沿工件区域连续移动激光聚焦区，以融合气体输送到聚焦区的金属粉末颗粒。该过程的原理图如下图A所示。激光直接沉积技术与之前的RP技术相比有许多优势，包括更稳健的沉积，更精确的沉积材料的位置，以及在沉积过程中通过简单混合粉末来生产功能梯度材料的能力。激光直接沉积实验的实验装置如下图B所示。


图A激光直接沉积工艺示意图。


图B激光直接沉积系统的组成部分。