一般来说 ， 缺陷的产生或转移到成品零件有三种具体的方式 ， 即:(1)从原料粉末中转移;(2)熔化过程中激光-粉末-金属相互作用;(3)后处理 。 结果表明 ， LPBF中存在4种不同类型的缺陷 ， 即熔合孔隙度、锁孔孔隙度、球化和气孔率 。 为了限制金属AM内部缺陷的产生 ， 必须考虑所有三种孔隙形成或转移机制 ， 并通过适当的工艺参数选择加以控制 。 其中 ， 激光-粉末-金属相互作用是金属AM加工过程中最常见的孔隙转移方式 ， 在这一过程中 ， 通常可以观察到“keyhole”和“lackof - Of -fusion”(LOF)孔隙等缺陷 。 熔体池之间是否有足够的重叠 ， 以保证所有点至少熔解一次 ， 从而确定未熔合孔隙度边界 。
【激光粉末床熔合增材制造缺陷结构工艺流程图（1）】最近的研究也表明 ， LOF孔隙的形成是由于喷射粒子/溅射粒子中激光和熔池的相互作用 。 在激光扫描过程中 ， 大的溅射可能没有完全熔化 ， 因此溅射周围会产生一串未熔合的孔隙 ， 从而成为潜在的孔隙生成位点 。 相反 ， 锁孔孔隙边界对应于深锁孔的不稳定性 ， 导致孔隙被夹断 。 第三个边界(称为“向上”边界)是由流体流动模式和熔体池的毛细管不稳定性的组合确定的 ， 它是LPBF AM系统中在保持精度(例如 ， 同时增加速度和功率)的同时提高产量的限制因素 。 整体的LOF、锁孔和珠状孔隙边界 ， 特别是定义了一个有效的“过程窗口” ， 用于生产具有名义上全密度的零件;在该过程窗口内 ， 孔隙度从粉末转移到零件 。 因此 ， LOF和锁孔孔隙边界将是本文的主要重点 ， 以及孔隙含量随粒度变化的方式 。 全密度可以量化为具有>99.9%的体积密度 ， 但应该注意的是 ， 仍然可能存在较大的缺陷 。 其目的是优化工艺参数 ， 减少LPBF AM材料中不必要的缺陷 ， 并最终证明在缺陷内容定义的工艺窗口内操作LPBF机器是可行的 。
本研究在前人研究的基础上 ， 对ti - 6al - 4v合金的LPBF中缺陷分布的影响进行了研究 。 在此基础上 ， 本文初步研究了基于熔池几何模型的全致密Ti-6Al-4V金属AM零件的制备方法 ， 以及最近获得的Ti-6Al-4V合金在高速动态x射线扫描过程中小孔形态趋势和孔隙形成的信息 。 由于不同的合金在LPBF中响应的方式相似 ， 因此期望缺陷结构过程图(DSPMs)方法可以应用于所有易熔合金 。 这将通过映射出激光功率扫描速度(P-V)空间[6
内的缺陷密度变化来完成 ， 包括Ti-6Al-4V立方体的标准(制造商推荐的)加工参数的比较 。 这项工作的第二个目标是研究ti - 6al - 4v粉末和预制组件中气体孔隙的形成和保留 ， 这是由单个粉末颗粒中捕获的气体引起的 ， 如Cunningham等人[25
所示 。 因此 ， 这一知识的预期应用将用于LPBF Ti-6Al-4V全致密零件级结构的dspm的构建 ， 从而通过控制缺陷密度来提高打印这种材料和其他材料的可靠性 。
2. 材料和方法
2．1． 实验装置
等离子体原子化的EOS Ti-6Al-4V合金粉末被用于在EOS M290 LPBF机器上制造测试块(立方体) 。 利用激光功率P、激光速度V和舱口间距H等工艺参数的变化 ， 共生产了12个测试块 ， 如表1所示 。 对于ti - 6al - 4v ， 推荐的EOS标准值P = 280 W V = 1200 mm/s用于制作样品1 ， 作为基线 ， 与使用表1给出的加工参数制作的其他样品进行比较 。 工艺参数对这些样本选择p - V空间跨度在名义(制造商推荐)值用于EOS Ti-6Al-4 V为目的的理解速度的影响(样品2 - 5)、电力(样品6、7、8和9)和舱口间距(样品5、8、10、11、12)在缺陷密度(表1) 。
表1 LPBF ti - 6al - 4v测试块的加工参数表 。
在试样2-5中 ， 速度以280w的名义功率变化 ， 试样5在1500 mm/s的高速下 ， 根据几何模型减小了舱口间距 ， 以避免熔合孔隙的缺失 。 在标称速度为1200mm /s的变功率样品中 ， 样品8在较低功率为100w时 ， 根据几何模型减小了舱口间距 ， 以避免熔合孔隙的缺失 。 除样本5和8外 ， 样本10、11和12的舱口间距也发生了变化 。 在标称功率和速度下 ， 样品10的熔点间距增加 ， 以引入几何模型中缺乏的熔体孔隙度;样品11的熔点间距减小 ， 以使相邻熔体轨迹的重叠深度增加一倍 ， 重叠深度增加四倍 。 另一方面 ， 在样本12中 ， 功率、速度和舱口间距与标称条件不同 。 根据几何模型 ， 功率的增加和速度的降低伴随着舱口间距的增加 。 其思想是利用几何模型来避免LOF孔隙度和单熔体轨迹实验来了解小孔边界 ， 然后选择工艺参数来提高沉积速率 。 对于所有样品 ， 所有测试块的切片层厚度为L =30 μm ， 标称光斑尺寸为~ 100 μm(根据机器制造商提供的技术规格) 。
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