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香港理工大學頂刊綜述：基于粉末的金屬增材制造中的多尺度缺陷！

2022-04-13 11:45:00 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

缺陷，是金屬增材制造的一項關鍵挑戰。為獲得理想及合格的產品質量和力學性能，應全面了解各種缺陷的形成機制、對力學性能的影響及其相應的控制和緩解方法三個重要問題。最近，有一些關于金屬增材制造工藝和由此產生的缺陷的綜述工作，然而，大多數相關綜述在上述關于缺陷的三個問題方面存在不足。因此，目前對金屬增材制造缺陷的形成機理、影響及控制方法等三個重要問題的認識應予更新。

近日，來自香港理工大學、西北工業大學和香港中文大學的傅銘旺教授等人提出了粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類，闡明了各種缺陷形成的潛在機制。討論了原材料、幾何設計、工藝參數或/和系統設置方面的關鍵因素的影響。總結了多尺度缺陷的破壞性和非破壞性檢測方法。為了預測和進一步了解缺陷的形成，簡要介紹了多尺度缺陷建模的當前進展。總結和討論了每種缺陷對增材制造部件的拉伸性能和疲勞性能的影響。從材料、幾何控制、工藝參數的原位操縱、后處理或合金設計和混合增材制造技術等方面闡述了每種缺陷的控制和緩解方法。最后討論了有關多尺度缺陷的最新研究空白，并基于所描述的多尺度缺陷的三個方面提供了未來展望。該綜述論文以題為“Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys”發表在材料頂刊《Journal of Materials Science & Technology》（2020年影響因子：8.067，中科院一區）。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.015

簡而言之，幾何相關缺陷主要包括由宏觀殘余應力引起的部件變形和分層，而與表面完整性相關的缺陷則是由于階梯效應、粉末部分熔化、球化效應和表面開裂而形成的。對于微觀結構缺陷，第一種形式是內部裂紋，分為與液膜形成相關的熱裂紋和，以及與材料脆性和殘余應力相關的固態裂紋。二是內部氣孔，包括不完全熔化孔洞、冶金孔、鎖孔和縮孔，一般由不適當或不穩定的熔融引起。另一種是由外延生長和晶粒競爭生長的耦合作用形成的織構柱狀晶粒。最后，成分缺陷包括氧化、合金元素損失和微偏析，位錯胞是由增材制造過程中的熱膨脹和收縮形成的。

缺陷的存在通常對增材制造零件的機械性能有害。宏觀殘余應力、表面缺陷和內部氣孔和裂紋會降低材料的強度和延展性。疲勞性能也可能受到影響，因為這些缺陷可能會促進疲勞裂紋擴展并降低疲勞壽命。織構柱狀晶粒會導致機械性能的嚴重各向異性，包括屈服強度和延展性、疲勞壽命和疲勞裂紋擴展速率。特別是，微偏析的缺陷可能因原材料而異。一方面，微偏析會導致脆性相，例如鎳基高溫合金中的 Laves 相和 NiTi 合金中的 Ti2Ni 相，從而導致不良性能。另一方面，在一些AMed FCC材料中，以微偏析和位錯為特征的胞狀結構可以高度強化材料并提高延展性。

在了解缺陷形成機理的基礎上，提出了各種控制方法。對工藝參數進行深入優化，可以獲得無裂紋和無孔的 AMed 零件。還采用包括熱處理或/和HIP在內的后處理來消除殘余應力并修復內部孔隙和裂縫。然而，這兩種方法在減輕紋理柱狀晶粒等缺陷方面的能力有限。后熱處理甚至不可避免地導致微觀結構的粗化。還介紹了其他一些新穎的控制方法。添加適當的納米顆粒可以細化晶粒結構并減少微裂紋和微偏析。將其他加工技術與增材制造（主要是 DED）相結合的混合方法也可用于減少殘余應力、細化晶粒和緩解微偏析。

圖 1. 粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類。

圖 2. （a–c）與幾何形狀有關的典型缺陷，包括變形和分層；（d）由微尺度LPBF和常規LPBF制造的懸臂變形（e）殘余應力與SLM Ti6Al4V掃描長度的函數（f）打印零件的幾何誤差與特征厚度的函數。

圖 3. LPBF中的階梯效應（a）基于表面的晶格和（b）基于支柱的晶格；（c）LPBFed SS316L的（c）頂部表面和（d）側表面的質量（e） LPBF中的單軌形態作為掃描速度的函數；（f）金屬AM期間飛濺的液滴示意圖；表面裂紋（g）和晶體結構（h）在SLMed CM247LC高溫合金的邊界。