用于增材制造的金属粉末原料质量的多尺度评估

方案 1. 说明性 PBF 和 DED AM 工艺,以及熔池中的粉末/光束相互作用

引言

增材制造 (AM) 对于生产具有前所未有的几何/配置复杂性、材料成分梯度控制和轻质结构设计的零件具有吸引力,这些都是传统工艺无法实现的。 然而,这种快速发展的技术能否取得长期成功,在很大程度上取决于可靠地生产功能部件和组件的能力。 控制缺陷对于获得机械强度和疲劳寿命接近锻件的增材制造金属零件至关重要。 AM 零件中的缺陷主要分为两大类:孔隙率和裂纹。 这些可能由各种机制引起:未融合、小孔塌陷、气孔、成球、凝固开裂、固态开裂和表面连接孔隙。 杂质的夹带也可能导致缺陷。1 缺陷源于原料和 AM 光束能量之间的相互作用,其中涉及复杂的瞬态热物理和化学过程(方案 1)。 因此,缺陷可能与原料、设备和工艺相关。2 因此,减少缺陷始于原料的质量控制。

两种主流的增材制造技术,即激光粉末床熔合 (PBF) 和吹粉直接能量沉积 (DED),使用具有所需成分和粒度的球形粉末原料,通常在 10 到 50 微米的范围内。 在这种颗粒形式的物质中,与散装材料相比,表面和次表面原子的数量代表了四到五个数量级的比例。 虽然大块化学仍然为最终机械性能奠定了基础,但微型粉末的表面化学对于成品增材制造零件的质量变得同样重要,甚至更重要。 在表面自由能增加(即热力学有利)和扩散长度减小(即动力学有利)的驱动下,AM 金属粉末的颗粒间均匀性本质上易受局部事件的影响,例如表面污染、团聚、和成分变化,在粉末制造、包装、储存、使用和再利用过程中。3

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