全面回顾金属增材制造零件的断裂與疲劳特性 (一)——工藝與材料

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金属3D打印起身安全扶手,独有的快速冷却進程可以發生微小的晶粒，具备傳统制造工藝没法對比的长处，可以或许創建質料-工藝-微觀布局-機能一體化增材制造的跨標准调控機制。同時，增材制造工藝固有的缺點、残存应力及微觀布局機能属性，對遍及采纳金属增材制造的布局部件影响重大，特别是對断裂、委靡機能极端敏感的利用，必要明白金属3D打印部件的委靡裂纹扩大速度、断裂韧性和委靡强度等機能特色，及其提高合金毁伤容限的工藝手腕。

委靡断裂是承重部件失效的最凸起缘由。致使傳统工藝制造的金属合金委靡失效的裂纹萌發、扩大和快速断裂機制已被把握，而3D打印金属質料怪异的微觀布局（如细亚稳相、介觀布局和孔隙率等）若何影响委靡和断裂的機制還没有肯定。這不但對付3D打印组件的靠得住性评估相當首要，并且另有助于完美处置步调，以出產加倍靠得住的布局完备性组件。3D打印與大量工藝参数相干，可以制造极為繁杂的零件，容许定制零件，這使得充實把握質料、工藝和機能之間的瓜葛變得出格坚苦。

金属3D打印的一個關头挑战在于热源和原料之間的互相感化

當前，最廣泛利用的金属3D打印工藝包含基于激光和電子束的粉末床熔融工藝(PBF)、能量沉积工藝（DED）和粘结剂喷射工藝（BJ）。基于高能热源的直接3D打印工藝是傳统制造工藝最靠近的天然替换品，也是與委靡和断裂瓜葛最為紧密亲密、會商至多的工藝。粘结剂喷射工藝經由過程間接辦段别离制造生坯，再經由過程几個關头的后处置操作来提高零件的機器機能，环節虽多，但其本錢更低，制造速率更快，進一步解放了零件的設計自由。

最廣泛利用的金属3D打印工藝

利用3D打印加工金属的一個關头挑战在于热源和原料之間互相感化的性子。比方，Al對3D打印經常使用的光纤激光具备高反射率酷娛樂 線上，，致使其吸热性较差。别的，蒸汽压不同很大的合金元素，比方铝合金中含有Mg和Li元素時，在真空前提下起首汽化。绝大大都合金在主流的L-PBF、E-PBF和DED金属3D打印工藝中廣泛存在的快速凝集前提下轻易開裂。凡是，易于焊接的合金也合适用于3D打印。除此以外，合金的同素异形體，如钛基和铁基合金，由于要司理打印進程的大温度梯度和繁杂热轮回，使得增材制造工藝、微觀布局和機能之間的瓜葛變得怪异。這反過来又使制造的合金及其機器機能對所利用的工藝高度敏感。是以，電動噴霧機,在零件制造進程中必要细心選擇工藝参数组归并举行切确節制，以提高靠得住性。

粉末原料的質量在决议部件的总體質量方面起着相當首要的感化，特别是它的相對于密度。在粉末床工藝中，粉末颗粒粒度散布、球形度等将影响其活動性，進而影响3D打印進程中的铺粉结果。钻研發明，在電子束粉末床技能中，更宽的Ti6Al4V粒度散布可以使零件的孔隙率程度更低；相反，较大的颗粒尺寸會致使较高的孔隙率程度。粉末在反复利用進程中存在吸氧的征象，進而致使脆化和密度降低；且屡次利用后粉末颗粒的球形度會降低，可察看到较着的變形，粒度散布變窄，進而影响缺點的構成。

增材制造金属粉末機能間的瓜葛

與粉末床工藝分歧，能量沉积工藝對原質料不太敏感。但是，粉末颗粒概况的裂纹或劃痕會致使终极的3D打印部件呈現孔隙。有钻研報导，粉末尺寸散布和合金化學成份直接影响粘结剂喷射工藝成型零件的烧结動力學，進而影响零件的紧缩和致密化，并發明采纳 10:1 比例的雙峰尺寸散布粉末，可以實現高密度的生坯部件和烧结部件。

3D打印金属質料的微觀布局

在任何给定的3D打印工藝前提下，熔體的快速凝集使質料具备雷同利用快速淬火技能得到的微觀布局：邃密、亚稳态和具备加强固溶度的構成相。已打印层的反复加热和冷却使凝集的合金履历了繁杂的热轮回汗青，使質料微觀布局多显示為柱状晶粒并富含残存应力。所有這些微觀布局特性的連系，超過几個长度標准——從纳米到毫米娛樂城代理,乃至更多——使3D打印金属質料的機器機能唯一无二，而且與傳统制造的同類產物截然分歧。

采纳直接3D打印工藝制造的很多合金的一個显著特性是具备凝集胞状布局，其长度范畴為采纳激光為热源時的~ 0.1 到 1 µm（SLM和DED），而在利用電子束為热源時，该布局凡是大于5 µm 。下圖显示了采纳SLM技能打印的316L胞状显微布局，這些布局的構成是凝集進程中成份過冷的成果。當固液界眼前的液體温度因為溶質浓度高而低于液體的凝集温度時，界面變得不不乱，從而有益于枝晶發展。枝晶形态受温度梯度和凝集速率的比值節制。在SLM工藝中，冷却速度极高（>106 K/s），凝集時候不足以構成二次枝晶，從而構成胞状形态。在激光能量沉积進程中，冷却速率相對于较慢，可察看到二次枝晶。总之，胞状布局的巨细取决于温度梯度和凝集速率，也取决于所用的工藝参数。

SLM制造的316L胞状布局

SLM制 造的代表性微觀布局 ：(a) 单道扫描的 AlSi12 (b) SEM 圖象显示具备 Si 偏析的熔池鸿沟區域。(c)(d)扭转计谋别离選擇90°和67°

扫描方法的分歧對3D打印合金的组织布局具备较着影响，详细表示在所構成的织構、晶界和缺點上面。采纳SLM工藝制备的AlSi12，沿X-Y平面可察看到固化的激光轨迹，而在侧面在显示出堆叠的熔池横截面。熔池鸿沟對应激光束高斯散布，最高妙度位于光束的中間。在SLM制备的Ti6Al4V中，若持续层之間選擇90°扭转，在X-Y平面可察看到原始β晶粒布局，；而若是扫描计谋選擇67°扭转，则會察看到球状或等轴布局。

END

本文重要论述了當前主流的金属3D打印工藝及在响应工藝前提下質料共有的显微布局特性。热源和原料之間的互相感化是致使質料具备分歧布局特性的關头缘由，详细到每種質料也會独有的相構成。在不少环境下，微觀布局可能會使拉伸、断裂和委靡举動具备各向异性，是以必要举行后处置，這也是下期文章论述的關头。

注：本文内容来自3D打印技能参考。

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