本研究旨在研究LB-PBF零件的表面纹理与内部缺陷或密度之间的相关性 ， 从而为开发能够防止LB-PBF零件缺陷发生的现场监测和反馈控制系统提供指导 。
结果和讨论
工艺参数与密度的关系
本研究中进行的实验包括制作尺寸为10?×?10?×?10 mm（图1A） 。 使用配备有1kW单模光纤激光器的PBF测试台进行样品制造 ， 在氮气环境（氧气含量?<?0.1重量%） 。 制造过程中考虑的其他操作条件包括激光光斑直径d?=?100μm（1/e2） ， 激光功率P?=?175–800 W ， 扫描速度v?=?550–2850 mm/s ， 阴影间距h?=?0.10 mm ， 层厚t?=?0.05mm ， 能量密度E?=?24.1–82.4 J/mm3 。 能量密度E使用关系式E=\\frac｛P｝｛vht｝计算 。 因此 ， 在宽范围的激光功率（高达800 W）和扫描速度（高达2850 mm/s）值上研究了工艺参数和密度之间的关系 。
图1 通过工艺参数和密度之间的相对密度评估的关系 ， （A）立方试样；（B）激光功率和扫描速度之间的过程图；（C）相对密度和能量密度之间的关系 。
使用本研究中制造的120个立方样品的相对密度值评估的激光功率与扫描速度的过程图如图1B所示 。 通过将竣工样品的基于阿基米德原理的密度除以其相应的真实密度（8.20 g/cm3）来计算相对密度 。 图1B中的低功率和低扫描速度区域对应于超过99.7%的高相对密度值 。 同时 ， 以高功率（超过400W）和高扫描速度（超过2000mm/s）为特征的区域代表低相对密度 。
使用材料和表面形貌特征变化相当大的金属AM样品进行实验 ， 并选择测量参数以揭示最先进的CSI系统性能的最重要和最有趣的方面 。 可以使用收益递减的其他样本和测量参数进行进一步的研究 ， 但作者的实验有限 ， 以尽量减少冗余并保持简洁 。 实验包括（1）五个常见的金属增材制造表面 ， 涵盖大范围的表面粗糙度、斜率分布和特征地形 ， 以及（2）使用四个物镜和两个光学变焦设置、两个光谱滤光片、五个信号过采样设置和两个 HDR 照明水平的组合进行的一系列测量 。 对于每个表面 ， 建议在数据覆盖范围、测量区域和时间方面进行优化测量 。
金属增材制造表面的CSI测量 。
图2描绘了高密度和低密度立方体样品的扫描电子显微镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（XCT）图像；分别使用JEOL JSM-7800F和Nikon XT H225ST捕获这些图像 。 使用43.5 J/mm3的足够能量密度制造的全密度样品（XCT-1）的SEM和XCT图像显示 ， 直径小于10μm的微孔很少（图2A、C、E） 。 同时 ， 在29J/mm3的低能量密度下制造的相对密度为98%的样品（XCT-2）的SEM和XCT图像显示了大量大量的未熔合缺陷（图2B、D、F） 。
图2 立方试件内部缺陷的观察 。
因此 ， 在2000 mm/s扫描速度和超过35 J/mm3的能量密度下 ， 可以在消耗小于500 W激光功率的情况下制造出接近真实密度的样品 。 此外 ， 相对密度超过99.7%的样品的结构特征在于存在小于?~?直径为10μm（图2G） 。 这不会显著影响LB-PBF IN718的疲劳强度 。 因此 ， 将99.7%的相对密度设置为阈值 。
试样S1–S9（参见图1B ， C）的光学显微镜（OM）图像如图3所示 。 如图所示 ， 全密度试样S7、S8和S9中存在极少的缺陷 。 同时 ， 相对密度为99%的试样S4中存在少量孔隙 ， 而相对密度较低的试样S1、S2和S3中可观察到没有熔合缺陷和孔隙 。 根据20 ， 相对密度值低于约99%的材料中容易出现熔合缺陷 。 因此 ， 随着材料相对密度的降低 ， 这些缺陷变得更加突出 。
图3 试样（S1–S9）横截面的OM图像 。
AM表面具有高粗糙度 ， 并包含大量高斜率和松散颗粒 。 因此 ， 很难以高分辨率准确测量表面形貌 。 CSI技术最初设计用于测量相对光滑的表面（例如光学器件） 。 这种技术以前被认为不适用于测量AM表面;然而 ， CSI技术开发的最新进展允许通过使用先进的测量功能显着提高检测灵敏度 ， 例如源光谱的过滤 ， HDR照明水平 ， 每个干涉条纹上的可调相机采集数量以及复杂的地形重建算法 。
为照明水平启用HDR功能可以增强数据覆盖范围 。
表面纹理与内部缺陷的关系
对应于图1B的示意工艺图与试样S1–S16的表面纹理和内部缺陷叠加在一起 ， 如图4A所示 。 参考这些图表明 ， 对于高密度试样S15和S16 ， 轨迹（熔池轨迹）的宽度保持相对恒定 ， 并且在这些轨迹之间不能观察到凹槽 。 如前所述 ， 全密度试样中存在可忽略的孔隙 。 相反 ， 低密度试样S10、S12和S13中的所述轨迹宽度保持不规则 ， 并且表面包含多个凸起和凹槽 。 因此 ， 在较低的激光功率下观察到较宽的凹槽 ， 并且激光功率的增加增加了轨道的宽度和不均匀性 。 此外 ， 尽管密度与S10相似 ， 但使用最高激光功率（600W）制造的样品S11的表面的特征在于更宽的轨迹和凹槽以及更大的轨迹不均匀性 。 这可归因于高能量密度下瑞利-高原毛细不稳定性导致的熔池大膨胀（“串珠”） 。 因此 ， 这些试样中出现了熔合缺陷和气孔 。
