香港理工&西工大顶刊丨金属粉末基增材制造的多尺度缺陷及其对力学性能的影响机制

缺陷形成是粉末基金属增材制造的关键挑战。目前对金属增材制造缺陷的形成机理、影响及控制方法等三个重要问题的认识应予更新。基于粉末的增材制造金属和合金中多尺度缺陷的类型包括几何相关缺陷、表面质量完整性相关缺陷、微观结构相关缺陷以及成分缺陷。香港理工大学、西北工业大学和香港中文大学的傅铭旺教授等人提出了基于粉末的增材制造金属和合金过程中的多尺度缺陷，并阐明了各类缺陷形成的潜在机制以及控制方法；总结了金属增材制造各类缺陷的破坏性和非破坏性检测方法；介绍了多尺度增材制造缺陷建模的研究进展；分析讨论了各类缺陷对增材制造件机械性能的影响，特别是对金属部件的拉伸性能和疲劳性能的影响；总结和讨论了相应的多尺度缺陷缺陷的各种控制和缓解方法，主要包括工艺参数控制、后处理、合金设计和混合增材制造技术；最后从多尺度增材制造缺陷的三个重要方面分析了未来的发展前景。

Graphical Abstract

相关综述以题为 “Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys” 发表在材料领域国际顶刊 Journal of Materials Science & Technology上。

多尺度缺陷的分类、形成机制及调控方法:

图 基于粉末的增材制造金属和合金中多尺度缺陷的分类

香港理工&西工大顶刊丨粉末基增材制造金属和合金过程的多尺度缺陷的形成机制与调控方法

金属增材制造零部件的机械性能高度依赖于其表面质量和微观结构特征。影响表面质量和微观结构的主要因素包括材料特性、设计相关因素、工艺参数和系统设置。不适当的工艺配置可能会在最终的增材制造组件中引入各种各样缺陷，例如孔隙和裂纹等。根据目前关于金属增材制造的研究报道，在增材制造金属部件和结构中鉴定出尺寸范围从毫米到纳米的多尺度缺陷。缺陷的存在通常不利于增材制造零部件的机械性能，宏观残余应力、表面质量完整性缺陷以及内孔和裂纹微观结构缺陷都会降低成形材料的强度和延展性，疲劳寿命也可能受到较大影响，因为这些缺陷可能会促进疲劳裂纹的生长并降低疲劳性能；纹理柱状晶粒可导致机械性能的各向异性，包括屈服强度和延展性，疲劳寿命和疲劳裂纹生长速率。

一种新的金属AM工艺窗口确定框架

基于粉末的增材制造金属和合金中多尺度缺陷的可以分为几何相关缺陷、表面完整性相关缺陷、微观结构相关缺陷三大类，其中微观结构缺陷主要包括裂纹、内部孔隙、组织缺陷和成分缺陷。特别是，本篇综述首先将纹理柱状晶粒，成分缺陷和位错细胞分类为微观结构缺陷，因为它们在增材制造组分中的普遍性及其对增材制造组分的性质和机械性能有着显著的影响。为进一步提升增材制造金属部件的机械性能与表面成形质量，本篇将主要介绍粉末基增材制造金属和合金过程的各类多尺度缺陷对成形力学性能的影响机制。

图（a–d）不同硼添加量的DED制备的Ti6Al4V的微观结构和（e，f）拉伸性能（g）DED法制备的Ti6Al4V的微观结构和拉伸应力-应变曲线

1. 宏观残余应力对力学性能的影响

图 (a, b) SLM打印的Ti6Al4V 和 (c, d) SS316L 在不同条件下的裂纹扩展曲线，裂纹扩展方向 (a, c) 垂直于BD，(b, d) 平行于BD

残余应力对SLM打印的Ti6Al4V疲劳裂纹扩展行为的影响研究发现，由于存在拉伸残余应力，打印部件的疲劳裂纹扩展速率更大。相比之下，铸造、β-退火和锻造材料中存在较低甚至没有残余应力，疲劳裂纹扩展速率较低。在800°C下对SLM打印的TiAl6V4进行热处理，发现残余应力从打印状态下的超过200 MPa大大降低到小于10 MPa。同时发现，残余应力对拉伸性能没有显著影响，热处理后疲劳裂纹扩展行为明显改善，强调了残余应力的作用。然而另有研究发现，由于材料的高延展性，高周疲劳状态下的疲劳行为和SLM打印的316L的疲劳裂纹扩展不受工艺引起的内应力的明显影响。这两个相互矛盾的发现表明残余应力对疲劳寿命的作用一般由基材的性质决定。

2. 表面缺陷对力学性能的影响

表面缺陷对扭转或多轴疲劳行为的作用也较为关键。研究表明，打印部件的粗糙表面对多轴载荷条件下的疲劳寿命有不利影响，包括轴向、扭转和扭转-轴向组合情况。表面加工可以显著提高疲劳寿命。然而，在某些情况下，由于部件过于复杂，机加工等手段几乎不可能使粗糙表面变光滑。因此，控制3D打印工艺来优化表面质量显得尤为重要。

         

图 (a)具有不同设计孔径的SLM制造SS316L的延展性 (b) Ti6Al4V极限抗拉强度(c)气孔和 (d) LoF孔引起疲劳的证据

柱状晶粒对性能的影响发现，机械性能的各向异性可能源于柱状晶粒，这对施加多向应力的应用是有害的。SLM制造的垂直试样的屈服强度低于水平试样，相比之下，垂直试样的延展性明显高于水平样品，这是因为沿垂直排列的晶界可以容忍更多的损伤，导致更大的塑性变形。

         

图 (a) SLM垂直和水平打印SS316L的应力-应变曲线(b) 应变硬化行为 (c) 载荷沿BD方向和 (d) 垂直于BD方向EBM打印的In718的低周疲劳行为 (e) 垂直BD方向加载和 (f) 平行BD方向加载条件下的损伤容限示意图

此外，织构柱状晶粒引起的疲劳性能也显示出各向异性，具有柱状晶粒的不同材料零件疲劳裂纹扩展速率具有不同趋势。目前对由柱状晶粒引起的各向异性疲劳裂纹扩展行为的潜在机制的理解仍然模棱两可。

微偏析也会对机械性能造成不利影响。由于偏析导致的非期望相在 出现在材料中，会导致疲劳性能下降等，对机械和功能性能产生负面影响。不过，微偏析和位错单元可能共同形成独特的蜂窝结构，这对力学性能有时有益，特别是对屈服强度和延展性。高密度位错可以通过捕获位错滑移和变形缠绕来明显强化材料。此外，隔离区域中的化学错配会产生相干应力，这也会阻碍位错运动。

了解缺陷的分类、形成、发展及控制对于我们提升金属增材制造部件质量具有十分重要的现实意义。探索缺陷的形成原因，并寻找有效的缺陷控制方法，以减少和消除打印构件内部缺陷，能够有效地促进金属增材制造技术的推广， 从而实现金属增材制造产品的大规模工业化生产。随着金属增材制造研究的不断深入和技术的快速发展，研究人员将进一步揭示材料缺陷形成原理。