缺陷控制的SLM制备Ti-6Al-4V的拉伸性能( 七 ) _化石

所做的工作进行了比较，包括Elec-tron Beam Melting ( EBM )和L-PBF对Ti64的几项研究的数据。我们注意到Vrancken 、Shi 、Zhao 等人的工作都位于与我们的地图相似的地带。
图9 ( b )给出了柱和拉伸试样的密度随无二致性热输入E *的变化。束流尺寸( 54μm )和保护层厚度( 30μm )固定在此图中。选择合适的舱口间距，使熔池发生充分的重叠。根据所得结果，可以划分出三个区域。所有柱子达到近全密度( N99 % ) ，归一化热输入范围为2.9至4.2 (Ⅰ区) 。对于高于4.2的值，密度随着E *的增加而下降，测量密度值的变异性也是如此。第二区包含热输入高于E * = 4.2但仍显示高密度的样品。第三区包含密度在94 %至99 %之间的样品。根据文献[ 1113
报道的数据，选择了划定孔隙影响屈服强度的99 %密度阈值的水平线。本工作所使用的拉伸试样均落在Ⅰ区和Ⅱ区开始，因而表现出高密度。

图7 在每单位体积下气孔的分布
图8在图10（a）中3D重构的途中所的都的2D横截面图：其中a)为在（ｂｃ）中所显示的两个横截面的位置；b)在（ａ）中绿色平面的横截面，这一平面的截取时通过激光来回扫描所诱导的气孔；c) 在（ａ）中所对应的横截面，这一平面遵从的气孔沿着激光扫描道进行。其尺寸为红色和蓝色投影所计算得到的气孔之间的平均距离
3.3.高密度样品中的气孔形成机制
为了理解孔隙的起源，基于ALE3D多物理场代码[ 65-67
的高保真激光粉末床融合模型被用来模拟Ti64粉末沿着单一激光轨道的快速加热和冷却。所使用的激光参数与X射线CT研究的样品相同( 3.5 . 1和3.5 . 2节中的P1和P7 ) ，以便进行直接比较。这两种情况下的单轨长度均为600微米。结果可以在图10中看到，其中孔出现在黄色和熔池在红色。当使用较高的激光功率和速度( P7条件 -图 10 ( e )时，熔池比使用较慢的激光速度和较低的功率( P1条件 -图 10 ( b )时更深。当到达轨迹末端并关闭激光器时，图10 ( c )中的熔池凹陷塌陷，留下残留的气孔。然而，对于较深的凹陷( P7条件 -图 10 ( e ) ，快速凝固会阻止液体填充凹陷。

相反，萧条冻结，因此留下了一个重要的轨道孔。这些轨道末端的孔在实验上(图6 ( b ) -放大)和理论上(图10 ( f ) )被发现在P7条件下沿构建方向更长，但在P1条件下(图6 ( a ) -放大和图10 ( c ) ) 。预计在随后的层激光扫描过程中，类似的孔隙可以形成并与前一层的孔隙合并。我们的第二个观察是沿着熔体轨迹边缘意外地形成较小的孔隙。这些是粉末颗粒之间沿轨道宽度存在的空隙袋的结果。熔化时，粉末颗粒旁边的空隙被拖拽进入高动态的熔池流动。它们往往尺寸较小且呈球形。在模拟分辨率内，孔隙的大小可以是几微米( 3-6μm ) 。最有可能出现比模拟分辨率所能捕捉的更小( b3μm )的毛孔。

图９　本研究中（红色）的数据使用标准化能量图来表示得到的结果；早先的研究，来自文献中，同样条件下得到的结果也给予了展示。
图１０使用ALE3D 代码得到的两种不同的激光扫描参数模拟的气孔形成

尽管这两个激光参数( P1和P7 )都出现了这些“边缘轨迹”气孔，但P1的气孔数量大约是P7的两倍。与P7中熔体池较大、流动持续时间较长的情况相比， P1中较小的熔体池使气孔冻结较快，消失时间较短。为了帮助重熔这些孔隙，并将它们从熔体池中挤出，需要增加当量的舱口间距。然而，与P7相比， P1条件下( 含有更多的边缘毛孔 )的舱口间距(表1 )较小，尽管模拟显示P1中的熔池宽度略小(图9 ( a )和( d ) ) 。这并不能提供足够的重叠，使这些轨道边缘的孔隙在随后的激光通过时重新熔化，解释了为什么用SXCT在P1样品中观察到更多的孔隙(图6 ( a ) ) 。

3.4.气孔对拉伸性能的影响

基于对固结试样的研究， Haynes认为当孔隙率为b1 %时，孔隙率对拉伸屈服强度的影响很小。然而，它可以有很大的影响拉伸应变到失效，遵循经验方程：
因此，这些水平样本在颈缩开始时表现出灾难性的失效行为。这暗示了一种影响并最终限制这些材料拉伸应变失效的面内孔洞断裂/长大机制。这些结果与之前的假设[ 1113
相比较，即当孔隙体积分数低于1 %时，不会降低材料的性能。相比之下，当同一样品的加载轴平行于没有明显孔隙生长的构建方向时，我们观察到了很高的拉伸应变到破坏值，导致了与α + β材料相似但具有较高屈服强度的显著拉伸应变到破坏(图3 ( b ) ) 。当采用小截面( 即 1 mm2 )时，应变至失效对孔隙的敏感性尤为明显。我们的工作表明，拉伸应变到失效并不是评价AM材料拉伸延性的良好指标。为此，均匀延拓可能是一个更好的参数。鉴于这些新发现，我们谨慎地认为，关于孔隙率冲击强度的Haynes模型也可能不适用于L-PBF材料。今后需要进行深入的研究。