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激光粉末床聚变：技术、材料、性能和缺陷以及数值模拟的最新综述（4）( 三 )


5.2.机械性能
5.2.1.抗拉强度
LPBF工艺制造的零件与传统方法（如铸造）的屈服强度比较表明 ， LPBF制造的零件具有优异的强度 。 其原因在于 ， 当少量熔融材料快速凝固时 ， 零件是如何在LPBF工艺中制造的 。 由于该工艺 ， 在零件中可以看到更细的晶粒和微观结构 。 在合金中 ， 在LPBF期间 ， 合金元素的偏析可以忽略不计 ， 导致更均匀的成分和更高的强度 。 在Wei等人对LPBF制造的AZ91D进行的实验中 ， 注意到激光能量输入显著影响样品的拉伸性能 。 他们发现 ， 随着激光能量输入的减少 ， 制造零件的屈服强度和极限抗拉强度也会大幅下降 。 这种行为的原因是由于激光能量供应不足导致的低密度部件 。
由于LPBF制造机制依赖于逐层添加技术 ， 因此层的构建方向在决定零件的拉伸强度方面也起着重要作用 。 在平行于拉伸方向进行激光扫描的情况下 ， 观察到的拉伸强度高于在垂直于拉伸长度的方向上进行扫描的部分 。 观察到 ， 当制造和横向扫描Br-Ni的LPBF试样时 ， 其拉伸强度高于纵向扫描的试样 。 原因是短矢量扫描的结果更好 。 短扫描矢量比长扫描具有更大的吸收净能量的能力 。 影响拉伸强度的另一个因素是层厚度 。 Agarwala等人发现 ， 对于LPBF制造的Br-Ni零件 ， 当层厚度减小时 ， 拉伸强度迅速上升 。 结果表明 ， 当层厚从500μm变化到200μm时 ， 拉伸强度从35MPa增加到约60MPa 。

激光沉积Ti-6Al-4V试样的示意图 ， （a）X方向上的沉积表面（水平取向） ， （b）Y方向上的沉淀表面（横向取向） ， 以及（c）Z方向上的沉积物表面（垂直取向） 。
5.2.2.硬度和耐磨性
该实验的主要结果是 ， 如Buchbinder等人所建议的 ， 高扫描速度和激光功率不会影响零件的硬度 ， 其中扫描速度的增加会增加硬度 。 众所周知 ， 残余应力是缺陷 ， 因为它们降低密度并引发裂纹和孔隙 。 但Mercelis等人和Gu等人认为 ， 如果能够管理密度和裂纹 ， 并且如果残余应力保持在合理的水平 ， 则可以提高零件的硬度 。 LPBF制造的零件具有良好硬度特性的另一个原因是零件在加工过程中经历的快速凝固 。 这有助于晶粒细化和形成更好的微观结构 。 因此 ， COF（摩擦系数）也降低 ， 提高了零件的耐磨性 。
Gu等人试验了扫描速度对COF和耐磨性的影响 。 当使用100mm/s的扫描速度从CP-Ti制造零件时 ， COF达到1.41的最大水平 ， 并增加了磨损率 。 表面上的一些松散碎屑和凹槽表明变形和磨损（图30a） 。 当使用200mm/s的扫描速度时 ， COF降低 ， 磨损率也降低 。 现在存在较浅的凹槽 ， 没有任何松散碎屑的迹象（图30b） 。 当COF和磨损率达到最小值时 ， 实现了300mm/s的最佳扫描速度 。 当使用400mm/s的扫描速度时 ， 形成了塑料粘合层 ， 从而降低了磨损率（图30c） 。 Jain等人也证明了这一点 。 当使用大于400mm/s的扫描速度时 ， 观察到更多的剥落和分层（图30d） 。 这再次增加了COF和磨损率 。 Gu等人得出结论 ， 由于低扫描速度下的强烈致密化和缺陷 ， 实现了较低的硬度值 。 随着更好微观结构的形成 ， 硬度增加 ， 但在较高扫描速度下仍然容易受到微层间孔的影响 。 由于液体粘度低、液体寿命长以及由此产生的热应力增强 ， 低扫描速度和伴随的高激光能量密度的组合导致了微观球化现象和层间热微裂纹的产生 。 另一方面 ， 由于Marangoni对流导致的液体不稳定性增加 ， 他们使用了快速扫描速度 ， 导致液体凝固前沿混乱 ， 并产生显著的球化 。

图30（A）900J/m和100mm/s、（B）450J/m与200mm/s、（C）300J/m、300mm/s和（D）225J/m及400mm/s下LPBF制造的钛零件表面的SEM 。
【激光粉末床聚变：技术、材料、性能和缺陷以及数值模拟的最新综述（4）】研究表明 ， 激光能量密度可以显著决定加工零件的硬度 。 硬度值与能量密度间接成比例 。 由于较高的冷却速度 ， 较低的能量密度导致较小的晶粒形成 ， 硬度也受到晶粒尺寸的影响 。 Chelbus等人在Ti-6Al-7Nb上研究了LPBF中内置部件的方向对硬度的影响 。 他们证明 ， 面积和搭建平台越大 ， 试样高度越小 ， 硬度越高 。 这是由于特定微结构的形成 。 总的来说 ， 这表明零件的硬度值受热历史、微观结构和工艺参数等因素的强烈影响 。
5.2.3.延展性
延展性通常以牺牲强度为代价并入部件中 。 通常 ， 在LPBF工艺中 ， 在延展性和强度之间进行权衡 。 因此 ， 所有用于提高所生产零件强度的优化参数将最终降低该零件的延展性 。 导致强度提高并同时降低延展性的一些主要措施是快速凝固、陡峭的温度梯度和小体积区域的更快冷却速率 。 工艺参数对提高零件的延展性有很大影响 。 尺寸颗粒的相对密度和分布也影响延展性 。 给出低密度的参数导致低韧性零件 。

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