3.6.剥蚀
粉末剥蚀是固化熔体轨道周围粉末颗粒的明显损耗（见图23） 。 在典型的LPBF处理环境中 ， 剥蚀是由熔融熔池中金属蒸汽羽流的强烈蒸发引起的 。 强烈的汽化作用使蒸汽羽流内部的压力下降 ， 并产生一股环境气体向熔体轨道中心流入 ， 称为伯努利效应 。 这种向内的环境气流足以沿其流动扫入粉末颗粒 ， 粉末颗粒可以包含在熔融熔池中 ， 也可以随蒸汽羽流喷出 。 采用更高的激光功率、更高的扫描速度和大气压（氩气）会导致更高的粉末颗粒损耗 。 另一方面 ， 如果激光注量不足以完全熔化粉末颗粒 ， 并且表面张力倾向于将部分熔化的粉末颗粒拉入熔池 ， 也会发生剥蚀 。
图23不同激光功率和2 m/s扫描速度下熔体轨迹周围剥蚀区的共焦高度显微镜图像 。
3.7.环境影响
氩（Ar）、氮（N2）、氦（He）是LPBF过程中最常用的三种保护性惰性气体 。 在Ar和N2环境下生产的LPBF加工钢部件显示接近全密度值 ， 而在He环境下使用相同的加工参数生产的部件显示约90%的密度 。 Ar和N2环境下产生的较低等离子体羽流在激光束和金属粉末之间保持良好的接触 ， 这导致接近全密度的零件值超过99% 。 最终产品密度的差异可能与阻挡激光束的等离子体羽流有关 。 这可以通过使用Ar作为保护气体并提供足够和连续的能量输入来解决 ， 这可以克服金属蒸发和电离过程的能量损失 。 类似地 ， 在钢的LPBF过程中使用低气压可降低金属蒸汽的阻力 ， 从而导致大量自由粉末飞溅（图24a） 。 因此 ， 建议使用强大的环境压力 。 存在于熔池表面的金属蒸汽必须与强保护环境对抗 ， 从而减少粉末飞溅（图24b） 。
图24 X射线图像显示了具有不同环境压力的相同粉末层厚度的飞溅计数（a）弱环境压力（b）强环境压力 。
3.8.与钢材LPBF工艺相关的常见问题
除了已经讨论过的不同工艺引起的冶金缺陷外 ， 在LPBF钢部件制造过程中出现的其他最常见问题如下：
1.钢的LPBF工艺通常会导致沿构建方向形成各向异性微观结构 ， 尤其是构建层界面处缺陷的方向 ， 这会影响延伸率并决定机械性能[209
。
2.母材的化学成分将影响裂纹敏感性 。 硫和磷等低熔点合金元素会导致凝固开裂 ， 而锰由于蒸汽压力高 ， 会导致局部损耗 。 其他合金元素 ， 如硅、钛 ， 可能会导致不规则气孔 。
3.在低碳钢的LPBF过程中 ， 由于随后的快速冷却 ， 预计会形成硬而脆的高碳马氏体 ， 从而显著降低机械性能 。
光学图像显示了粉末层厚度对添加剂制备的AlSi10Mg样品微观结构的影响 。
4.高碳钢的LPBF加工比低碳钢更困难 ， 因为在快速冷却过程中 ， 凝固收缩和热收缩会产生更高的残余应力 。 除了LPBF工艺诱发的残余应力外 ， 形成不良（马氏体）微观结构的可能性更大 。 马氏体和氢的结合促进氢开裂 。
5碳含量越高 ， 硬度越高 ， 韧性越低 ， 因此在热处理低合金钢的LPBF工艺中 ， 更容易发生氢开裂 。
6.熔化前 ， 粉末表面形成氧化膜和无源碳化物的可能性更大 ， 因为与大面积粉末质量有关 ， 这会影响LPBF钢制件的表面质量 。
7.由于氧化物和碳化物的存在 ， 大型熔融熔池的形成会吸引更多粉末颗粒 ， 从而降低润湿性；这有利于缺陷的形成 。 此外 ， 较大的熔池会导致较高的晶粒边界 ， 从而成为液化开裂的场所 。
8.钢粉流动性差会阻碍粉末颗粒的扩散 ， 从而影响层厚的连续性 ， 并导致LPBF生产零件的表面粗糙度 。 钢粉的放热氧化会增加熔池的体积 ， 从而导致高度的熔体轨迹不稳定和结球缺陷 。
9从更广的角度来看 ， 很难为航空航天、海洋和其他工业应用生产大型部件 ， 因为现有的LPBF系统由于建筑腔室尺寸限制（300 mm×300 mm×350 mm） ， 仅限于制造中小型部件 。
根据现有关于不同钢材LPBF的文献 ， 提出了三个LPBF处理窗口 ， 如较低的处理窗口、较高的处理窗口和最终的最佳处理窗口（见图25） 。
图25 LPBF加工窗口的标签及其对最终零件质量的影响 。
4.LPBF处理钢的显微组织、磨损和表面纹理特征、机械性能
4.1.微观结构特征
LPBF期间的微观结构演变并非微不足道 。 无法将特定类型钢的微观结构特征归因于所有其他类型的钢 。 然而 ， 有必要了解钢的LPBF过程中微观结构演变的一般方面 ， 以便进一步研究 。 Tan等人研究了马氏体时效钢在水平面和垂直面上LPBF过程的微观结构演变 。 作者注意到 ， 在中心均匀分布着大量亚微米大小的六角形胞状晶粒 ， 在熔炼轨迹的边界处（垂直于扫描方向）普遍存在针状细长晶粒 。 在马氏体时效钢的LPBF处理过程中 ， 这些微观结构特征是在较高冷却速度下快速熔化和快速凝固的结果（见图26a） 。 晶核的生长速度在各个方向上都是一致的 ， 因此容易形成等轴晶粒 。 如图26b所示 ， 等轴晶体呈现六角形胞状结构 。 垂直平面上各种晶体形态的形成机制如图26c所示 。 熔池底部可观察到平面凝固组织 。 随着G/R比随R的逐渐增加而降低 ， 从熔池底部向层堆叠/或建筑方向上升 ， 可见胞状树枝状结构 。 G/R值进一步降低 ， 达到熔融熔池的中间 ， 胞状结构普遍存在 ， 随后是更细/更粗的等轴晶 ， 在熔融金属池的边界处明显可见 。
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