在金屬增材制造領(lǐng)域，激光粉末床熔融 (PBF-LB) 通過提供卓越的幾何自由度、精細(xì)特征分辨率和精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征，一直占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，在大多數(shù)工業(yè)環(huán)境中，低生產(chǎn)率仍然是 PBF-LB 適應(yīng)性的瓶頸。在最近的研究中揭示，當(dāng)使用較厚的粉末層時，堆積速度會顯著提高。然而，缺乏將工藝參數(shù)、生產(chǎn)率、微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)和機械性能聯(lián)系起來的系統(tǒng)分析。澳大利亞RMIT 大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合西門子的最新研究旨在填補 Ti6Al4V 合金粉末層厚度在 60μm至300μm 范圍內(nèi)的這一空白，具體研究發(fā)現(xiàn)適用于大多數(shù)當(dāng)前可用的商用AM增材制造系統(tǒng)。
近期，澳大利亞RMIT 大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合西門子發(fā)表了論文《Systematic investigation of performance and productivity in laser powder bed fusion of Ti6Al4V up to 300?μm layer thickness》，為推動增材制造醫(yī)療、國防和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的高質(zhì)量 Ti6Al4V 部件能夠更快地制造出來提供了科學(xué)指導(dǎo)和研究借鑒。本期谷.專欄將對該文的研究背景、最新進展及總結(jié)進行分享。
▲論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013624001687
工藝-性能的關(guān)系
研究人員研究了增加層厚度如何影響激光粉末床熔融制造的 Ti6Al4V 部件的微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、相對密度和整體生產(chǎn)率。與傳統(tǒng)的層厚度范圍（通常為 20 μm 至 60 μm）不同，澳大利亞RMIT 大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合西門子系統(tǒng)地研究了厚度在 60 μm 至 300 μm 之間的粉末層的工藝-性能-關(guān)系。研究結(jié)果強調(diào)了增加層厚度可以提高激光粉末床熔融的生產(chǎn)率，同時保持較高的相對密度和強度。這項研究聚焦了激光粉末床熔融的可加工性和生產(chǎn)率的界限，使醫(yī)療、國防和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的高質(zhì)量 Ti6Al4V 部件能夠更快地制造出來。
澳大利亞RMIT 大學(xué)工程學(xué)院聯(lián)合西門子的研究人員詳細(xì)探討了激光粉末床熔融（PBF-LB）技術(shù)在制造Ti6Al4V合金部件時，粉末層厚度對微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、相對密度和生產(chǎn)率的影響。
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研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：
1. 生產(chǎn)率與層厚度的關(guān)系：增加層厚度可以提高生產(chǎn)率，但當(dāng)層厚度達到240μm至300μm時，生產(chǎn)率增加趨于穩(wěn)定，這可能是由于傳統(tǒng)PBF-LB系統(tǒng)激光功率的限制。
2. 微觀結(jié)構(gòu)與機械性能：研究顯示，隨著層厚度的增加，孔隙率逐漸增加，這與超過180μm層中的未熔融孔隙率有關(guān)。此外，層厚度的增加也導(dǎo)致了母體β相紋理的變化，這可能對延展性產(chǎn)生不利影響。
3. 工藝參數(shù)的無量綱縮放：研究采用了傅里葉數(shù)方法來縮放工藝參數(shù)，這種方法與機器和材料無關(guān)，有助于將研究結(jié)果應(yīng)用于不同的層厚度和材料。
4. 延展性與層厚度：斷裂伸長率隨著層厚度的增加而降低，這與微觀結(jié)構(gòu)中未熔融孔隙率的增加有關(guān)。
5. 激光功率的限制：對于激光功率限制在400W的系統(tǒng)，超過180μm的層厚度加工性有限，因為可實現(xiàn)的重熔深度不足以確保層間的充分結(jié)合。
6. 構(gòu)建率的邊際增益：隨著層厚度的增加，邊際生產(chǎn)率增益呈下降趨勢，這表明較厚層的優(yōu)勢逐漸被所需掃描速度較慢的劣勢所抵消。
7. 微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)：增加層厚度對柱狀母晶粒的形態(tài)和紋理有明顯影響，這些差異可能通過改變α/α’晶粒的分布和均勻性來影響樣品的延展性。
8. 機械性能的穩(wěn)定性：盡管層厚度增加，但屈服強度和顯微硬度的變化不大，顯示出近馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)。
此消彼長
研究的結(jié)論強調(diào)了通過增加粉末層厚度來提高PBF-LB工藝生產(chǎn)率的潛力，同時也指出了當(dāng)前商用PBF-LB系統(tǒng)激光功率限制對生產(chǎn)率提高的限制。為了進一步提高生產(chǎn)率，可能需要更高激光功率的系統(tǒng)或結(jié)合非高斯光束輪廓與厚粉末層的使用。此外，還需要進一步研究在高層厚度下優(yōu)化邊界參數(shù)以及相應(yīng)的表面質(zhì)量和幾何分辨率。
研究結(jié)果表明，在所研究的整個層厚度范圍內(nèi)，楊氏模量（約 110GPa）和屈服強度（約 1.1GPa）與“傳統(tǒng)”PBF-LB加工Ti6Al4V 相當(dāng)。同時，斷裂伸長率從 60μm 時的 11.4 ± 2.7% 下降到 180μm 時的 8.4 ± 1.1%，最后下降到 300μm 時的 2.0 ± 0.3%，微觀上這與超過 180um 的層中未熔融孔隙率的增加有關(guān)。研究結(jié)果還表明，工藝變化引起的母體 β 相紋理的變化可能導(dǎo)致較厚層的延展性下降。最終，雖然生產(chǎn)率隨著層厚度在 300μm 時達到 8.76mm3/s 而提高，但可實現(xiàn)的構(gòu)建率似乎在 300μm 層高左右趨于穩(wěn)定，需要進一步擴展激光功率特性才能在不影響機械性能的情況下獲得額外的收益。
對于激光功率限制在 400?W 的典型商用 PBF-LB 增材制造系統(tǒng)，厚度超過 180?μm 的粉末層的加工性有限。對于高于此閾值的層厚度，可實現(xiàn)的重熔深度不足以確保后續(xù)層之間的充分結(jié)合。由此產(chǎn)生的未熔融孔隙率雖然限制在非常小的體積分?jǐn)?shù)內(nèi)，但會大大降低制造狀態(tài)下可實現(xiàn)的伸長率。此外，同時出現(xiàn)小孔孔隙率和未熔融表明，對于層厚度 > 180?μm 的樣品，工藝窗口變窄。研究人員對各種層厚度的可實現(xiàn)構(gòu)建率進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著層厚度的增加，邊際生產(chǎn)率增益呈下降趨勢。較厚層和較寬掃描軌道的優(yōu)勢逐漸被所需掃描速度較慢的劣勢所抵消，導(dǎo)致層厚在 240 μm 至 300 μm 左右時構(gòu)建速率停滯。這一見解為開發(fā)新的厚層 PBF-LB 參數(shù)集提供了寶貴的指導(dǎo)，并為新一代更高激光功率商用系統(tǒng)提供了機會，以擴大可制造性范圍并通過增加功率輸入來進一步提高生產(chǎn)率。
通過深入分析增加層厚度的微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)柱狀母晶粒的形態(tài)和紋理存在明顯差異。此外，結(jié)果表明，這些差異可以通過改變具有低或高臨界分辨剪切應(yīng)力的 α/α’ 晶粒的分布和均勻性來影響制造狀態(tài)下樣品的延展性。相反，屈服強度和顯微硬度隨層厚度的增加而僅略有變化，所有條件均表現(xiàn)出近馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)?？傮w而言，研究人員已經(jīng)展示了與材料和系統(tǒng)無關(guān)的工藝參數(shù)優(yōu)化框架，以通過增加粉末層厚度系統(tǒng)地評估 PBF-LB 工藝的生產(chǎn)率。
結(jié)果強烈表明，雖然通過增加粉末層厚度可以顯著提高生產(chǎn)率，但目前在商用 PBF-LB 系統(tǒng)中主要對最大可實現(xiàn)激光功率的限制，大大限制了厚度超過 240 μm 的層的生產(chǎn)率提高。只有當(dāng)系統(tǒng)具有顯著更高的激光功率（超過 400 W）以抵消未熔融孔隙度的增加和機械性能的下降時，才能進一步提高生產(chǎn)率（通過使用超過 240 μm 的層厚度）。此外，將非高斯光束輪廓與厚粉末層結(jié)合使用可以提高生產(chǎn)率。最后，在高層厚度下優(yōu)化邊界參數(shù)并分析相應(yīng)的表面質(zhì)量和幾何分辨率需要進一步研究。
來源：3D科學(xué)谷
