文丨峰纪实
«——【·前言·】——»
ALM，也称为增材层制造，是一种分层方法，用于直接从计算机辅助设计（CAD）文件中制作三维（3D）对象。最初它被广泛用作一种快速成型技术，但如今它已广泛应用于各个工业领域，如航空航天、汽车和医疗设备。ALM工艺可以大致分为四大类：粉末床熔合（PBF）、定向能量沉积（DED）、粘合剂喷射和板材分层。
ALM的吸引力在于它能够弥补传统制造方法的限制，包括生产时间长、成本高等问题。尤其对于那些具有复杂几何形状的产品以及不需要材料浪费的情况来说，ALM变得非常有吸引力。钛合金组件是高成本制造方法之一，而这促使了类似ALM等替代方法的发展。ALM是一个以设计为驱动的过程，它允许制造高度复杂的形状。
这项工作的目的是提供对钛合金生产中的PBF过程进行全面回顾，涵盖了从生产高质量原料到后加工的各个步骤。其中包括研究加工和微结构之间的关系，并描述了计算这些关系的方法。最后，本文还提出了改进PBF工艺速率和可靠性的建议。通过这一工作希望能够为钛合金PBF生产提供更深入的了解，并为进一步的研究和改进提供有益的指导。
钛冶金学
表1
PBF部分在分层熔化和凝固过程中经历了复杂的热循环，所以它制造的零件微观结构是很特别的。这意味着材料可能会反复发生固-固相变和液固相变。看图2(a)，它展示了经过PBF处理的Ti-6Al-4V层的热分布例子，在这种情况下，这种合金经历了两次液-固相变和两次β→α转变。所以，很多PBF过程会导致亚稳态微观结构，这可能会在构建零件的每一层都有所不同。
图2a
PBF是一个需要快速凝固的过程。根据报告显示，SLM的冷却速率在103-108K/s之间，而EBM的冷却速率在103-104K/s之间。
因此，在PBF部分中通常会观察到细粒度的微观结构。此外，PBF过程中的热流是有方向性的，这可能导致形成具有高纹理的柱状晶粒，从而增加了材料的各向异性。
通过电子背向散射衍射（EBSD）显微图，我们可以看到Ti-6Al-4VSLM和EBM所获得的典型微观结构。图2(b)显示了SLM部分的微观结构，相比之下，它比EBM样品更加精细，并且含有更多的α相，这是由于其较高的冷却速率所导致的。
钛粉的生产策略PBF组件的质量和一致性受到起始粉末特性的影响。在钛粉末中，最关键的因素包括粒径分布（PSD）、颗粒形状、流动性和化学组成。对于SLM工艺，粉末的粒径分布应该在10-45μm之间，而EBM工艺可使用的粉末粒径范围则在45-106μm之间。
为了提高颗粒的流动性，在PBF过程中，粉末颗粒应该是球形的。流动性是一个关键的因素，因为如果粉末不能在粉末床上均匀分布，就可能导致最终零件中出现孔隙。此外，粉末的化学成分必须符合规格要求，这对于可回收的粉末尤为重要。确保粉末质量和特性符合要求，可以提高PBF过程的稳定性和零件的质量。
研究结果表明，经过EBM工艺处理的Ti-6Al-4V粉末循环可以提高氧含量，同时降低铝和钒的浓度。这种浓度的变化可能会随着再循环的增加而加剧。然而，通过重复使用这种粉末，可以提高其流动性。
图2c
粉末原料的质量取决于其生产过程。有几种生产金属粉末的方法，包括水处理、气体处理、气体原子化（GA）、气体原子化和快速凝固（GA+RS）、气体原子化和凝固法（GA+SS）、金属化学卤化物还原法（CVR）、透射型电子显微镜车间（SEM）、钛研究组织（TiRO）工艺和造粒-烧结-脱氧（GSD）。图3显示了各种金属粉末生产方法的列表，红色突出显示了用于生产球形钛粉的方法。图4提供了各种粉末生产方法的示意图。
图3
对于大多数应用于ALM的球形钛合金粉末，通常是通过雾化法生产的。雾化法是一种将熔融的金属液体分解成颗粒的技术。其中最简单和低成本的雾化技术是水雾化，它利用水喷射流将熔融金属雾化（见图4a）。然而，通过水雾化产生的粉末可能会具有不规则的形状，同时还可能存在密度差异、流动性差和较高的氧含量。因此，水雾化法并不适用于ALM，尤其是钛合金材料。
图4a
气体雾化（GA）工艺使用惰性气体（例如氩气）作为雾化介质，以尽量减少氧化和污染的风险，特别是对于活性金属如钛。对于钛材料，必须控制氧和氮等间隙元素的含量。因此，在真空感应气体雾化（VIGA）过程中，采用了真空感应熔炼炉。通常，这种熔炉会直接安装在雾化室的上方，并通过雾化室中的高压气体将熔融的金属雾化（参见图4b）。这种方式可以在更好的环境下进行雾化，减少氧和其他不必要元素的污染。
图4b
即使间隙元素可以控制在VIGA值下，耐火材料暴露在陶瓷坩埚中仍然存在污染的风险。为了解决这个问题，可以采用电极感应气体雾化（EIGA）过程。在EIGA过程中，原料以杆的形式存在，并通过感应线圈进入雾化室（参见图4c）。EIGA是一种非接触式熔化方法，可以在高真空条件下进行。这种方法已经广泛应用于Ti-6Al-4V的生产中，因为它尽量减少了污染的风险。通过EIGA过程，可以获得更高纯度和更可控的粉末，适用于ALM应用。
图4c
加工-微观结构的关系PBF（PowderBedFusion）过程的步骤如下：首先，将零件的三维CAD模型分解成多个薄层。然后，在建造平台上涂覆一层薄薄的粉末。接下来，使用激光束或电子束扫描粉末床，根据预定的路径熔化粉末床层，形成所需的形状。完成一层后，平台降低到下一层的厚度，并再次涂覆粉末，重复熔化的过程。目前，SLM是PBF商业系统中主要使用的技术。
在PBF过程中，处理参数被设置为提供足够的能量，以融合所有粒子形成液相线以上的熔体池。随着热源的移动，热量从熔融的金属中传导出去并迅速冷却凝固。通常情况下，使用PBF方法生产的钛合金具有可接受的力学性能。
关于ALM制造的力学性能，已有大量综述针对钛合金组件进行了研究。构建部件的特性取决于处理参数，例如能量源功率、聚焦光斑尺寸、层厚、扫描速度和扫描策略。
然而为了达到全密度的部件而无需进行后处理，通常需要较高的输入能量水平，以完全熔化原材料。这本身可能会导致一些不良结果，例如变形和残余应力。这些问题需要在制造过程中考虑和解决，以确保所制造的部件具有良好的力学性能。
微观结构不均匀的部分钛合金PBF制备的不均匀性主要涉及晶粒尺寸和微观结构的高度纹理化的变化。这两个因素与处理参数（热输入和扫描策略）密切相关。
钛合金Ti-6Al-4V，通过SLM方法制备时，其微观结构强烈依赖于激光器的体积热输入。在较低的扫描速度（高体积能量）下，冷却过程中发生β→α相变，导致形成粗晶粒。在较高的扫描速度和较低的体积能量下，β相转变为α马氏体。最高扫描速度时，可以实现更细小的晶粒尺寸[39]。随着热输入的增加，晶粒尺寸可能变得更大粗糙。
构建缺陷除了孔隙度，残余应力也是钛合金PBF中的常见构建缺陷之一。残余应力是由于快速冷却和熔融池与固态金属之间的温度梯度引起的。这些应力可能导致构件的变形、开裂或疲劳寿命的降低。为了减少残余应力，可以通过优化扫描策略、降低热输入和增加预热步骤等方法来控制和缓解这些应力。
通过针对这些缺陷的研究和优化，可以提高钛合金PBF构件的质量和力学性能，使其适应实际应用需求。
仿真的计算方法针对ALM过程的复杂性，研究人员常常使用数值模拟和仿真方法来评估不同工艺参数对原料熔化特性演变的影响，并优化ALM条件。在这方面，常用的数值模型和仿真方法包括离散元（DE）、蒙特卡罗（MC）、晶格玻尔兹曼（LB）、有限体积（FV）、有限元（FE）、相场（PF）和元胞自动机（CA）等。
在ALM领域的应用示例。这些方法的选择取决于研究者的需求和研究对象的特性。通过结合实验验证和数值模拟的结果，可以提高ALM的效率和质量，并为优化构建过程提供理论基础。
«——【·结论·】——»
PBF方法在实现成本效益方面还需要进一步的开发。PBF方法产生的独特微观结构使其成为某些钛合金成分的理想选择。在本综述中，已经确定和解决了两个主要挑战：定义优质粉末原料及其与粉末制备过程的关系，以及理解在PBF过程中发展的微观结构。
关于PBF过程的预测，已经引入了不同的建模方法。然而，这些模型通常只能研究与PBF构件的缺陷或力学性能相关的特定问题。使用有限元方法可以预测和建模更多的变量。此外，还有一些方法可用于研究钛合金在SLM和EBM过程中的微观结构演变和缺陷预测。在未来的工作中，应进一步考虑PBF过程中颗粒的形成和生长、原位热处理和固态相变等问题，以更深入地理解PBF过程的机理和效应。
