利用X射线显微CT表征技术定量研究选区激光熔化Ti6Al4V合金缺陷的几何特征及形成机理

| 3DScienceValley · 2024/01/31

谷专栏

以下文章来源于中国有色金属学报，作者中国有色金属学报

选区激光熔化（SLM）是基于逐层制造的金属增材制造（AM）中最成熟的工艺之一。由于具有速度快、光斑直径小的特点，SLM能够生产出设计灵活、性能优异、功能多样的复杂几何形状部件，目前已广泛应用于航空航天、生物医学等领域。然而，打印过程涉及到复杂的非平衡物理和化学行为，不稳定的熔池不可避免地造成孔隙、裂纹等缺陷的产生，最终影响打印零件的力学性能。通过调控打印工艺参数可以有效避免缺陷的产生，因此建立打印工艺参数与缺陷特征的关系十分有必要。

在《中国有色金属学报（英文版）》刊登的”Quantitative study of geometric characteristics and formation mechanism of porosity defects in selective laser melted Ti6Al4V alloy by micro-computed tomography”一文中，上海大学任忠鸣教授团队以Ti6Al4V合金为研究对象，通过SLM 增材制造制备不同工艺参数下的单道、多道和块状样品，基于高分辨率X射线计算机断层扫描（XCT）和扫描电子显微镜（SEM）开展打印态样品的缺陷特征研究，揭示了不同加工参数下缺陷的演变过程。此外，基于熔体黏度、熔体流动、表面张力和温度梯度等理论解释了缺陷形成机制。

论文链接：
http://www.ysxbcn.com/paper/paperview.aspx?id=paper_1045709

文章亮点

通过XCT对具有不同打印参数的块状Ti6Al4V试样中的气孔缺陷特征进行表征，根据气孔缺陷的几何特征，将其分为四种类型：球形气孔、椭圆形气孔、细长形气孔和不规则形气孔。在所有打印参数下，细长形缺陷所占比例最大，随着扫描速度的提高，不规则形缺陷所占比例增大。此外，分析了单道和多道样品中缺陷逐渐积累规律。随着层的叠加，孔隙逐渐积累，而适当的搭接率可能会熔化道之间的气孔。表面粗糙度和熔池润湿对缺陷的形成有很大的影响。

图文解析

图1为采用不同激光功率和扫描速度的SLM制造Ti6Al4V块体样品的XCT缺陷形貌特征。根据孔的数量和几何特征将图像分为三个区域：匙孔缺陷区、最佳参数区和未熔合缺陷区。高激光功率低扫描速度下，粉末床输入的能量密度较大（图1中A1、A2和B1），熔池中气体的溶解度较高，熔池冷却时熔池中气体的溶解度降低增加了气体残留的可能性，易于出现球状匙孔缺陷，尺寸小于100 μm。低激光功率高扫描速度下，输入能量低（图1中B2、D1和E1），粉末不完全熔化会导致形成未熔合孔缺陷，这种缺陷通常不规则且体积大，通常逐层分布。随着体能量密度的增加，样品孔隙率先减小再增加。

图1 不同激光功率和扫描速度下SLM Ti6Al4V块体样品的缺陷形貌

SLM是逐层成形过程，Ti6Al4V样品内部孔隙的取向变化与z方向有关。图2通过位角和极角描述缺陷的取向变化。取向等高线图中，亮点代表取向位置，亮点颜色代表缺陷频率高低。XCT在三维方向上对孔隙的表征比二维金相分析更有说服力，红色亮点处于取向等高线图边缘处说明内部孔隙的方向大多垂直于构造方向，为未熔合孔缺陷。

图2 位角和极角示意图（a）和P=120W，v=1800mm/s（b）、P=210W，v=1400mm/s（c）和P=270W，v=1200mm/s（d）条件下SLM成形Ti6Al4V样品中内部孔隙的取向等高线图

图3为基于曲率分布（K1，K2）的界面形状分布图（ISD）。K1=K2线上的曲率表示孔隙表面具有球形界面形状，K1=K2>0时为凸面，K1=K2<0时为凹面，K1、K2任一曲率为0时，孔隙表面为柱状。通过曲率分布可以定量描述孔隙缺陷的三维特征，在1区的孔隙频率高，代表球形孔隙占比高，这与匙孔缺陷相对应；在2、3区内孔隙频率高，代表未熔合缺陷占比大。

图3 不同加工参数下SLM成形的Ti6Al4V样品中所有孔隙的ISDs：(a)P=210W、v=1200mm/s；(b)P=240W，v=1200mm/s；(c)P=270W，v=1200mm/s；(d)P=150W，v=1000mm/s；(e)P=150W、v=1200mm/s；(f)P=150W，v=1400mm/s

图4描述了球形度与激光功率之间的关系。激光功率不变，随着激光能量密度增加，球形度接近1的球形孔隙增多，不规则和非球形孔隙含量减少。

图4 不同激光功率下缺陷球度的相对频率：(a)P=120W；(b)P=150W；(c)P=180W；(d)P=210W；(e)P=240W；(f)P=270W

图5为四种特征缺陷进行可视化描述。图6定量分析特征缺陷的占比与工艺参数之间关系。在几乎所有参数中，椭圆形缺陷所占比例最高，其次是细长形缺陷。总趋势是，不规则缺陷的比例随着扫描速度的增加而增加，但总体比例较低。

图5 XCT可视化表征Ti6Al4V样品中四种缺陷的长宽比(AR)和球形度

图6 不同激光功率下四种类型缺陷的百分比：(a)P=120W；(b)P=150W；(c)P=180W；(d)P=210W；(e)P=240W；(f)P=270W

图7为不同加工参数下Ti6Al4V单道的SEM表面形貌。形态大致可分为两种类型：稳定连续型（Ⅰ区）和不稳定连续型（Ⅱ区）。Ⅰ区形态连续，在粉末熔化过程中发现直径约为20-40 μm的飞溅颗粒附着在基底上。在SLM加工过程中，粉末颗粒吸收激光能量并释放出大量表面能，金属液相的黏度随熔池液温的升高而降低。黏度越低，熔体的流动性和润湿性就越高。然后，熔体均匀扩散，形成光滑连续的单道。然而，由于熔池的振荡，Ⅱ区无法保持稳定，低功率输入会影响熔池的流体动力学，降低金属液的表面自由能，从而使金属液分裂成小液滴，形成球状。在所有这些加工参数下，单道两侧的未熔化粉末会出现许多球化和粘结现象。在相同的激光功率下，随着扫描速度的增加，单道的宽度会逐渐减小。

图7 不同工艺参数下SLM成形的Ti6Al4V单道顶面SEM图

图8为不同数量的单道组成的单层试样以及30%和50%重叠率下的孔隙形态。随着单道数量的增加，多道样品中轨道之间的重叠形成道间缺陷消失，多道表面变得平整光滑，但多道表面两侧的波动却更加剧烈，边缘的明显波动会导致轨道上形成突起和凹陷，这就为块状试样的未熔合缺陷提供了可能。如8（a），在Ti6Al4V单层试样的表面还可以观察到大量的飞溅物和未熔化的粉末。图8（b），在激光功率为180W、扫描速度为1200mm/s的情况下，样品上表面出现许多球形颗粒。

图8 XCT表征30%（a）和 50%（b）重叠率下的不同处理参数Ti6Al4V单层样品的形貌和孔隙特征（2、4、6和8道）

图9为XCT表征三种加工参数下多道多层Ti6Al4V样品的形貌和孔隙特征。在反冲力的作用下，熔池因润湿和马兰戈尼对流而不稳定，形成球化和不连续形状的凝固层。在功率为150 W，扫描速度为1600 mm/s的情况下，4道4层可视为固结层。6道6层样品中缺陷的形成是由于4道4层的表面粗糙度导致熔池的润湿性不够。在210 W的较高功率和800 mm/s的扫描速度下，熔池可被完全润湿，上一层的匙孔可以消除，熔池之间的扰动会产生新的孔隙，新孔隙接近球形，随机分布。

图9 XCT表征三种加工参数下2道2层、4道4层、6道6层和8道8层的Ti6Al4V样品形貌和孔隙特征

研究结论

(1) SLM成形的Ti6Al4V缺陷的成形区分为三种类型：匙孔缺陷区、最佳参数区和未熔合缺陷区。大部分气孔垂直于构造方向，缺陷的曲率随不同的激光功率和扫描速度而变化。

(2) 根据球形度，将不同加工参数的SLM成形的TiAl4V块状样品的缺陷分为四类：球形（0.9-1）、椭圆形（0.7-0.9）、长条形（0.4-0.7）、不规则形（0-0.4）。分析缺陷占比发现，椭圆形和长条形缺陷占很大比例，其次是球形和不规则形缺陷。

(3) 定量分析逐道和逐层缺陷特征发现，孔隙逐层累积，合理的加工参数可确保熔池的稳定性。低功率下，未熔合缺陷的体积和数量随着轨道的增加而增加。但当功率过大时，随着新轨道的形成，上层轨道之间的孔隙可能会消失。

论文引用信息：

Na-ying AN, San-san SHUAI, Chao-yue CHEN, Li-ming LEI, Jiang WANG, Zhong-ming REN. Quantitative study of geometric characteristics and formation mechanism of porosity defects in selective laser melted Ti6Al4V alloy by micro-computed tomography [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2023, 33 (10): 2986-3002.