激光選區熔化成形316L中孔洞類型及產生機理

孫靖 吳士明 陳艷

摘要：激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）在金屬材料復雜結構制備領域具有明顯的優勢。分析了SLM成形316L SS樣件的內部與表面孔洞缺陷類型以及產生的機理，為缺陷的控制提供理論依據。實驗結果表明，SLM成形316L SS件內部孔洞缺陷主要包括：熔池交界處的撕裂型三角形孔洞、隨機分布的夾雜型孔洞、熔池中心深度較淺的不規則孔洞以及呈現聚集性分布的未熔合型孔洞。表面孔洞缺陷主要包括較淺的凹陷性缺陷以及具有細頸特征的較深缺陷，缺陷內部存在夾雜物，且在表面孔洞尖端易產生微裂紋。SLM過程中產生的飛濺物是產生內部及表面孔洞的主要原因，分析結果顯示飛濺物為高溫下的混合氧化產物。

關鍵詞：激光選區熔化;孔洞缺陷類型;產生機理;飛濺產物;成型腔

0? ? 前言

激光選區熔化技術日趨成熟，具有直接制造復雜幾何形狀零件的能力，但相關孔隙率仍是其致命的弱點，孔洞的產生極大影響了材料的耐腐蝕性能及疲勞性能。Veerappan[1]等研究了增材成形IN718中孔洞及孔洞尺寸對疲勞性能的影響，研究表明彌散分布的孔洞可嚴重削弱材料的疲勞性能，且當晶粒平均尺寸為48 μm、孔洞平均尺寸達到20 μm時裂紋的形核位置由晶體向孔洞附近轉變。陳迪[2]等研究了3D打印技術制備的Ti6Al4V內部大量隨機分布的球形孔洞，分析了高能束能量密度和掃描策略等因素對孔洞的影響，研究表明，對打印件表面進行拋光處理，選擇合理的熱等靜壓工藝消除材料內部孔洞、避免組織過度粗化，可顯著提高3D打印鈦合金的疲勞壽命;使用能量來進行單向掃描可使未熔合缺陷和孔洞只出現在所制備樣品的一側。萬志鵬[3]等研究表明3D打印金屬材料的孔洞缺陷所引起的應力集中現象嚴重降低了其疲勞強度，因空間位置的不同，三種不同的孔洞——獨立孔洞、接近自由表面的孔洞、相鄰孔洞的分布情況的應力集中系數差異顯著。

研究孔洞的類型及其產生機理并找到抑制方案是目前激光選區熔化技術中面臨的一個重要課題。美國卡內基梅隆大學和美國阿貢國家實驗室研究團隊使用高速X射線成像技術研究粉末床金屬熔化3D打印技術中小孔的成形機理，發現小孔形成是由于匙孔尖端嚴重不穩定性造成的[4]。趙滄等研究表明匙孔的不穩定性在熔池內部產生聲波，為匙孔尖端附近的氣孔提供驅動力，使其成為內部缺陷[5]。

文中著重研究了激光選區熔化成形316L SS試樣內部及表面孔洞缺陷類型，揭示典型孔洞的成形機理。研究了激光選區熔化過程中飛濺物的形貌及其成分分析，為飛濺產物的抑制提供理論依據。

1 實驗過程

1.1 原材料

試驗材料采用由氣霧化方法制備的316L SS粉末，合金粉的粒徑范圍為15～53 μm。316L SS粉的微觀形貌如圖1所示，可知合金粉的球形度較好，顆粒圓整，表面光滑。

1.2 SLM 過程

采用自研的Kre AM350 型設備進行激光選區熔化試驗，該設備配備 YLR-500光纖激光器，光斑直徑為70 μm。采用316L不銹鋼基板，試驗前設備成型腔體抽真空，之后循環充入99.99%高純氬氣，在整個制備過程中實時監測氧含量，保證成型腔內氧體積分數低于800×10-6。激光掃描策略定為棋盤式掃描方式，相鄰層間掃描方向旋轉67°。棋盤格尺寸為5 mm×5 mm。優化后的參數為：單層粉層厚度30 μm，掃描間距0.15 mm，激光功率為200 W，對應的掃描速度800 mm/s。

1.3 表征試驗

SLM 結束后，采用線切割方法從距基板表面1 mm處沿掃描方向將成形合金與基板分離，試樣經乙醇超聲清洗、烘干后，在NanoSEM 50 型掃描電子顯微鏡（SEM）下進行表征觀察。待觀察合金分離面經打磨、拋光和由10 mL HNO3+30 mL HCl +60 mL蒸餾水組成的混合溶液腐蝕30 s后，采用NanoSEM50 型掃描電子顯微鏡觀察合金內部的顯微組織及缺陷。

2 結果及分析

對SLM成形的316L SS試樣中的內部孔洞缺陷進行收集與表征，并分析其產生機理。典型孔洞缺陷類型如圖2所示。由于采用優化后的參數，因此不考慮因能量不足引起的密集分布的欠熔合孔洞。根據缺陷形貌及其在熔池中的分布位置，典型孔洞缺陷主要分為4類：熔池交界處分布的三角形孔洞、不規則的夾雜性孔洞、熔池中心的不規則孔洞以及未熔合性孔洞群。圖2a為熔池交界區域分布孔洞，相鄰熔池結合區域為3D打印成形件中的薄弱環節，孔洞、裂紋等缺陷易在這些區域產生。由于SLM過程中激光束的快速移動，微米級熔池快速凝固產生了極大的溫度梯度，再加上熔池凝固收縮，因此在熔池間產生殘余拉應力[6]。熔池邊界結合力較弱，又受到拉應力影響，易產生撕裂型缺陷，如圖2a所示，此類孔洞易產生于熔池三叉交界處，形貌為近似三角形，且在“ 三角形 ”尖角位置易出現隨生裂紋。將三角形孔洞進行放大觀察，發現孔洞內壁較光滑，僅有少量粉體附著，如圖2a插圖所示。圖2b為夾雜型孔洞，此類孔洞尺寸較大，約50 μm及以上，形狀多變，內部夾雜一種或多種異物。如圖2b插圖所示，SEM背散射模式下內部夾雜物呈現顏色較深的黑灰色，隨后將采用EDX元素分析確定夾雜物的成分。夾雜型孔洞的分布位置隨機。圖2c為熔池中心位置產生的孔洞，一般為不規則形狀，此類孔洞深度較淺，經放大后如圖2c插圖所示，與圖2a相比，內壁分布明顯的經腐蝕后的微觀組織形態。表明熔池交界處的三角形孔洞為熔池凝固結束后在殘余應力影響下形成，而熔池中心較淺的孔洞為凝固過程中留下的。圖2d為未熔合產生的孔洞，這類孔洞呈現聚集分布形態，且在SEM二次電子模式下具有不均勻的微觀組織，但EDX分析結果表明，未熔合孔洞周圍的化學成分并無差異，這種缺陷可能是由不穩定的液-固界面前沿引起的。Yuan[7]等研究結果表明，由于溫度梯度在熔池內部產生較強的Marangoni對流，引起凝固界面前沿的劇烈擾動。Gu[8]等研究結果顯示，由于極快的凝固速率，SLM成形鈦合金表面顯現出明顯的凝固前沿形貌，且掃描速度越高，液-固界面前沿擾動凝固越大。液-固界面前沿的擾動對內部組織及缺陷也會產生極大的影響，頻繁擾動的凝固前沿導致產生雜亂的微觀組織，尤其對于后期凝固區域。且凝固前沿影響區域比較大，由于擾動產生的未熔合出現聚集分布的現象。

孔洞缺陷中占比最高的為夾雜型孔洞，夾雜物多為SLM過程產生的飛濺，會直接影響激光與材料的相互作用，導致其他缺陷的產生。在SLM過程中，飛濺主要是由側向保護氣流、熔池的波動和反沖擊壓力引起的。飛濺物主要可分為以下幾類：表面氧化的原始金屬粉末、粉末與氧氣發生化學反應的產物以及腔內潤滑油等物質在高溫下產生的物質。飛濺物與原材料成分不同，落在粉末上會形成較大的顆粒，進而導致未熔合和氣孔的產生;此外，飛濺落在凝固表面會影響下一層鋪粉，導致下一層鋪粉不平整，甚至損壞刮刀。孔洞內飛濺物的形貌與成分檢測結果如圖3所示，實驗結果表明，夾雜物呈現近球形形貌或不規則形貌。EDX結果顯示，近球形夾雜物中O元素含量為2.02 wt.%，相較于基體O含量略有增高，未檢測到其他基體合金以外的元素，譜圖1表征結果為不銹鋼氧化物。不規則形貌夾雜物的EDX檢測結果如譜圖2所示，其中Al元素及O元素含量急劇升高，主角為Al的氧化物，是由于成型腔內殘留的鋁合金粉末氧化后形成的。

SLM成形316LSS試樣表面及側面粗糙，經檢測發現試樣的表面存在較多的開放型孔洞，如圖4所示。圖4a為開口大、深度較淺的片狀開放型孔洞，深度約150 μm，孔洞內部存在較多的未熔化顆粒及飛濺夾雜物。圖4b為較深的連續性孔洞，呈現不規則形狀，一般存在直形或彎曲細頸結構，內部夾雜未融合粉體及飛濺產物。圖4c為另一種連續型空洞，深度約為500 μm，呈現多個胞狀結構，之間通過細頸互相連接，這種空洞的形成與O原子的浸滲相關[9]。進一步觀察發現表面空洞的尖端易成為內部裂紋源，如圖4d所示。表面空洞的存在嚴重影響成型件的尺寸精度與表面完整性，亦會影響內部缺陷的產生。

經分析，諸多內部孔洞及表面空洞都由飛濺物夾雜產生，因此，對飛濺物的形貌及成分進行進一步分析，以便于采取相應的抑制措施。采用SEM及EDX分析從成形腔內部收集的飛濺物（見圖5），確定其成分及形貌。飛濺物主要由3類形貌組成：球形或近球形粉體、不規則塊體和粉末狀，其中不規則塊體具有明顯的棱角，通常呈現聚集狀態。EDX分析結果顯示球形或近球形顆粒為表面氧化的粉體，表面O含量為4.26 wt.%，超過原始粉體的氧含量。粉末狀飛濺物中C含量明顯增高，為腔體內高分子材料在高溫下氧化后的產物，如潤滑油等，這種產物通常以煙霧的形式產生，均勻附著在腔體內表面。不規則塊狀主要成分中O含量和C含量均明顯升高，結合XRD檢測結果，為粉末在高溫下與氧氣發生化學反應的產物，主要為Fe2O3，Cr2O3等[10]。

實驗結果表明，飛濺物的產生與不能及時清理是其內部及表面孔洞產生的原因，因此，及時清理或抑制飛濺物的產生是減少SLM件孔洞缺陷的有效手段。目前，無法完全抑制飛濺物的產生，清除飛濺主要依靠成型腔內的風場。成型腔內風場的優化設計及掃描方式的優化可減小飛濺物對成形件的影響。

3 結論

激光選區熔化成形件中的孔洞缺陷對零件的綜合性能產生極大的影響，尤其是磨損性能與疲勞性能。本文著重研究了激光選區熔化成形316L SS試樣的內部及表面孔洞缺陷的類型以及產生原因，為缺陷的抑制提供依據。

（1）根據分布位置與產生的機理，激光選區熔化成形316L SS件內部孔洞缺陷主要分為：熔池交界處的由于熔池邊界撕裂產生的三角形孔洞、隨機分布的夾雜型孔洞、熔池中心深度較淺的不規則孔洞以及位置隨機呈現聚集性分布的未熔合型孔洞。

（2）SLM成形316L SS表面孔洞缺陷主要包括較淺的凹陷性缺陷以及具有細頸特征的較深的缺陷，缺陷內部存在夾雜物，且在表面空洞尖端易產生微裂紋。

（3）激光選區熔化過程中產生的飛濺物是產生內部及表面空洞的主要原因，SEM及EDX分析結果顯示飛濺物為高溫下的混合氧化產物，包括球形或近球形的表面氧化的原始粉末、形狀不規則的粉末氧化產物以及煙塵狀的油污等聚合物的氧化產物。

參考文獻：

Veerappan Prithivirajan D. Sangid. The role of defects and critical pore size analysis in the fatigue response of addictively manufactured In718 via crystal plastiticy[J]. Materials and Design，2018（150）：139-153.

陳迪，王燎，高海燕，等. 3D打印鈦合金內部孔洞的研究進展[J].應用激光，2019，39（1）：72-78.

萬志鵬，王寵，蔣文濤，等.孔洞缺陷對3D打印Ti-6Al-4V合金疲勞試樣應力分布的影響[J].實驗力學，2017，32（1）：1-8.

Ross Cunnnghum，Cang Zhao，NiranJan Parab，et al. Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed X-ray imaging[J]. Science 2019（363）：849-852.

Cang Zhao，NiranJan Parab，Xuxiao Li，et al. Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting[J]. Science，2020（370）：1080-1086.

Jing Sun，Lianfang Qiu，Fei Wang，et al. A new modification effect of eutectic Si in selective laser melted AlSi10Mg[J]. Materials Science and Technology，2019，35（6）：277-285.

Pengpeng Yuan，Dongdong Gu，Donghua Dai. Particulate migration behavior and its mechanism during selective laser melting of TiC reinforced Al matrix nanocomposites[J]. Materials and Design，2015（82）：46-55.

Dongdong Gua，Yves-Christian Hagedorn，Wilhelm Meiners，et al. Densification behavior，microstructure evolution，and wear performance of selective laser melting processed commercially pure titanium[J]. Acta Materialia，2012（60）：3849-3860.

Munish Kumar Gupta，Anil Kumar Singla，Hansong Ji，et al. Impact of layer rotation on micro-structure，grain size，surface integrity and mechanical behaviour of SLM Al-Si-10Mg alloy[J]. Journal of Materials research and Technology，2020，9（5）：9506-9522.

Saad A Khairallah，Andrew T Anderson，Alexander Rubenchik，et al. Laser powder-bed fusion additive manuf-acturing：Physics of complex melt flow and formation mec-hanisms of pores，spatter，and denudation zones[J]. Acta Materialia，2016（108）：36-45.