微观选择性激光熔化技术发展的现状及未来展望 - 图文 

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx7响[51]。尽管已有大量文献对传统SLM产生的微观结构进行了研究，但对微观SLM的研究还没有类似的报道。最近，人们尝试通过在诸如EBM和SLM的PBF过程中使用光束散焦来研究激光光斑直径（见4.2节）的影响。 Al-Bermani [52]报道了在SS的EBM过程中，通过改变聚焦偏移使电子束散焦显著影响熔池形态。Phan等使用钴（Co）基合金EBM中窄聚焦束的类似方法，致使水平枝晶限制了典型柱状枝晶的生长。McLouth等[54]研究了IN718 SLM时激光光束的聚焦位移，发现由于更高的功率密度，光斑尺寸越小，产生的微观结构越精细，等轴结构越好。在我们最近对316L粉末单向形成的微观SLM研究中，由于我们研究的激光光斑尺寸精细，所观察到的“双峰”表面的熔池形态与宏观SLM中单向形成的熔池形态有较大差异[55]。上述关于散焦影响的研究表明激光光斑直径大小可能在微观SLM的工艺特性中具有重要的作用。由于微观SLM中光斑尺寸较小，层厚较小，粉体较细，预计其微观组织形成与传统SLM不同。此外，由于微观SLM具有细小的光斑尺寸，温度梯度和凝固速率预计会更大，这可能会导致更快的冷却速率，从而得到更精细的枝晶。然而，预测微观SLM的微观结构很难，因为它取决于许多涉及复杂机制的因素。通过许多研究，我们已经能够得知利用传统SLM方法制备的部件的力学性能，包括它的材料硬度、抗拉力和疲劳性能[11,25,50,56,57]。但是，文献中几乎没有研究过微观SLM部件的力学性能。力学性能通常受缺陷、微观结构、表 2?用于微制造技术的商用AM系统标杆残余应力和随后热处理的影响[7]。根据已发表的与SLM和PBF有关的综述，通常使用以下热处理后处理方法：应力消除、老化、固溶处理和热等静压（HIP）[7]。热处理的目的是为了减少或消除瑕疵，控制微观结构，改善性能，以及减轻残余应力[21,56,58]。HIP通常用来封闭内部孔隙和裂纹，重结晶将微观结构细化为等轴细晶粒，老化则控制沉淀形成[7,21]。由于SLM产生的微观结构不同于传统工艺形成的微观结构，因此热处理方法也不同[59–62]。如前所述，超细小的光斑尺寸可能会导致微观SLM与传统SLM形成不同的微观结构。通过适当的热处理，有望控制微观结构，同时改善力学性能。由于SLM部件的后期热处理取决于许多因素，包括初始微观结构、缺陷、残余应力、元素组成和期望的输出特性，所以为微观SLM预测合适的热处理具有挑战性。因此，未来对微观SLM热处理的研究将会非常有价值，因为它们将会为拓宽相关应用带来重大机遇。但是，首先有必要了解各种材料的微观SLM所产生的微观结构特征，如晶粒形态和相的形成，以确定最佳的后期热处理。表2 [63–68] 在构建体积、可实现的层厚度、激光规格、激光光斑大小、重涂系统、加工材料等方面比较了用于微制造技术的商用AM系统的各种特性。第一个微观SLS商用系统是建立在一项基于激光微烧结技术[20,33]的专利之上的[69]。一家由3D-Micromac AG 和 EOS GmbH 成立的名为3D MicroPrint GmbH的公司将微DMP64/EOSINT μ60 REALizer SLM 50/

[63]SLM 100 [64]3D MicroPrint GmbHL60 × W60 × H30

Realizer GmbH?70 × H4020–50

PRECIOUS M

080 [65]EOS GmbH?80 × H9530

MYSINT100 [66]Sisma SpA?100 × H10020–40

Fiber laser; 200 W55/30Blade

TruPrint 1000 [67]TRUMPF?100 × H10010–50

Fiber laser; 200 W55Blade

ProX DMP 100 [68]

3D Systems, Inc.L100 × W100 × H100NS

Fiber laser; 50 W NSRoller

ManufacturerBuild volume (mm)

Layer thickness (μm)1–5Laser specifications Laser spot size (μm)Recoating systemMaterials

Fiber laser; 50 W< 30BladeSS, Ti, Mo, Al

Fiber laser; 20–120 WYb-fiber laser;

100 W~ 20Blade

CoCr, SS 316L,

Ag, Au, Pd, Ti alloys

< 30BladeAg, Au, Pd, Pt alloys

Precious metals, SS, tool steel, CoCr, Al, CoCr, SS 17-4PHbronze, CoCr, SS, Ni alloys, Ti, precious maraging steel, Ni metals, bronzealloysNitrogen, argonPrecious metal, jewelry

Nitrogen, argonMedicine, dental, aerospace, energy, automotive

Nitrogen, argonPrecision engineering, research and development

Control environmentIndustry

Argon

Medical, jewelry, mechatronics, mold making, automotive

Argon

Jewelry, precision engineering

NS

Watches, jewelry

8Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx观SLS工艺商业化为“EOSINT μ60”，这家公司专门开发用于金属精密加工的微观SLS系统。从表2可以看出，现有的商用系统的激光光斑直径大于或等于20 μm。应该注意的是，为了制造精密的部件，今后我们必须尽可能减小激光光斑尺寸。由于SLM/SLS工艺以逐层的方式构建部件，因此有必使层厚度尽可能小，以降低特征分辨率。除EOSINT μ60之外，其他现有的微观SLS系统通常产生10~50 μm的层厚度，不能用于实现亚微米规模的微观特征。尽管人们致力于使用不同的重涂系统，商用体系依然都采用叶片或者滚轮系统，这和宏观SLM系统类似。减少层厚度的能力与所使用粉末的粒径相关联，传统的SLM/SLS通常使用直径为20~50 μm的粉末，而微SLS工艺则需要直径远小于10 μm的微粒。最近，新加坡制造技术研究所（SIMTech）的研究者开发了一种内部微观SLM系统[图9（a）]，具有精细的激光光斑尺寸和一种能够处理精细粉末的新型粉末重涂系统。使用SS 316L粉末（D50≈10 μm，其中D50是微粒的直径，50%的微粒直径分布在该值以下）的初始实验结果证明开发的微观SLM系统能生产具有良好表面光洁度的微观特征。通过改变激光功率、扫描策略、扫描速度和孵化密度，对这个系统进行了各种实验验证。图9（b）显示了使用微观SLM系统制作的各种特征，其工艺参数如下：层厚度为10 μm，光斑直径为15 μm，激光功率为50 W，扫描速度为800~1400 mm·s?1，孵化间距为10 μm。目前，可以实现的最小特征尺寸为60 μm，最小表面粗糙度（Ra）为1.3 μm，而该系统能够处理亚微米和纳米级粉末以产生1 μm的层厚度。随着层厚和粉末粒度的进一步减小，使用该研发系统可以获得更精细的特征分辨率（< 15 μm）和小于1 μm的表面粗糙度。从传统SLM按比例缩小到微观SLM需要考虑某些注意事项，可以分类为：①设备相关的；②工艺相关的和③后处理因素。大多数工艺机制和工艺参数的影响都可以在不同尺寸的SLM中得到。精细的光斑尺寸和微粒尺寸自然会减小层厚度和孵化间距，导致工艺周期时间的增加。Regenfuss等[35]的文章提到，当层厚度和粒度降低一个数量级时，激光微烧结打印相同组件的加工时间增加了12倍。在微观尺寸上应用精细光斑，功率密度将大大提高。因此，通过使用更小的激光功率和（或）更快的扫描，可以提高工艺产量。支撑结构设计是微观SLM的另一个关注点，因为移除结构很困难，可能会影响零件的尺寸。同样，在高深宽比薄壁的情况下，特别是当建筑支撑结构困难时，预热可能是一个问题。与设备相关的缩放比例因素包括建筑平台、光学系统、粉末重涂、粉末处理和粉末回收。对于微观SLM系统，建筑平台的尺寸和整个设备的占地面积都较小。为了满足实现精细光斑尺寸的主要要求之一，必须对光学单元进行修改，这将在第4.2节中描述。微观SLM的另一个重要要求是得到更小的层厚，这可以通过用于粉末分配和建筑平台的精密驱动来实现。与按比例缩小尺寸有关的主要设备问题是需要使用亚微米级甚至纳米级的细粉。由于细小的纳米颗粒暴露在环境中会带来安全和健康危害，因此建议尽量减少人工处理这些粉末。对于任何SLM机器来说，为建筑室提供一个紧密的封闭空间是非常必要的。粉末粒度和重涂系统的影响将分别在（a）SIMTech开发的微观SLM系统；（b）使用微观SLM制作的各种特征；（c）特征顶面的扫描电子显微镜（SEM）图像。图9. Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx9第4.3和4.4节中讨论。后处理差异包括对AM部件上进行的表面处理和热处理。对薄的微部件进行热处理可能会导致零件变形。粉末黏附于墙体在SLM中是一种常见的现象，这需要在印刷后进行进一步精加工。在微尺度上，薄壁的加工是不可能的。正如Gieseke等[38]所观察到的，非接触式精加工如电抛光也可能是无效的。因此，有必要制造表面和沿壁表面光洁度均良好的零件，而不是依靠二次处理。第5节详细讨论了表面处理效果。4.2. 激光光斑激光束直径是影响特征分辨率的最重要参数之一[31]。激光交点处的光斑尺寸最小，常被用于AM工艺，因为功率密度在这个焦点能被最大化。PBF工艺使用直径在50~100 μm范围内的激光束，而DED工艺使用大小处于毫米级的斑点[21]。Ma等[70]研究了通过激光熔覆工艺（LCD）和SLM工艺制造的SS 316L所表现的金属熔融情况的差异，其中，LCD工艺的光斑尺寸 > 1 mm）远大于SLM工艺（0.12~0.15 mm）。SLM工艺下熔池的深宽比、冷却速率更高，主蜂窝臂间距更小，颗粒纵横比更低，显微硬度、强度更高。虽然通过本研究很难将SLM工艺的表现归因于光束直径，但这项研究为后续研究提供了一些方向，表明光斑尺寸的变化会产生的不同的能量输入及凝固速率，并在熔体池和微观结构方面产生差异。Liu等[71]使用SS 316L粉末研究了激光束直径在SLM工艺下的影响。当光束直径从48 μm减小到26 μm时，工艺在部件密度、表面光洁度和力学性能方面都得到了改进。 Makoana等[72]使用两种应用不同的光束直径（80 μm和240 μm）的系统来研究基于激光的PBF工艺中光斑尺寸增大的影响。为了研究光束直径的影响，功率密度保持恒定。研究发现较小的光束直径和较小的激光功率会产生较窄和较浅的熔池，并导致较小的填充间距和层厚度。Helmer等[73]通过改变激光焦点研究了激光光斑大小在EBM工艺中的影响。结果表明，对应于聚焦400 μm）和散焦光束（500 μm）的不同光斑尺寸下的熔池几何形状和微观结构存在显著差异。McLouth等最近的一篇论文[54]将改变激光焦点的分析扩展到SLM工艺。与使用散焦光束制造的样品相比，在激光焦点处制造的IN718样品具有更精细的微结构。这种行为被归因于较小光斑尺寸导致的较高功率密度。一篇关于激光焦点偏移对孔隙率、表面粗糙度和拉伸强度的影响的同时期研究[74]揭示了在焦点偏移下建构部件性能发生的显著变化。研究观察到从负偏移（–2 mm）处的熔合不足到由于在正偏移（+3 mm）处的过多能量而形成的锁孔结构等不同的熔体行为。能量输入的变化以及焦点偏移和光斑尺寸与光束呈高斯分布的发散相对应。然而，研究也注意到最佳焦点偏移以及光斑尺寸与扫描速度和激光功率相关。对类似工艺（即激光焊接）的研究强调了由于功率密度的增加，更小的激光光斑大小通过实现更快的焊接速度或更深的穿透对改善焊接性能产生的作用[75]。尽管已经对SLM工艺进行了广泛的研究，但值得注意的是，对于光斑尺寸对工艺表现的影响的研究，特别是在特征分辨率上的研究是非常稀缺的。从表1中可以看出，微SLM系统的光斑尺寸在20~30 μm的范围内，而相应的最小特征分辨率与光斑尺寸相似或略大。与之类似，商业微SLM系统具有大于20 μm的激光光斑尺寸（表2）。为了实现精细的微观特征，有必要实现更精细的激光束光斑尺寸。DebRoy等[21]强调需要通过小光斑尺寸和低功率来实现更精细的零件分辨率。光斑尺寸通常可以由光纤纤芯直径、聚焦透镜和准直透镜构成函数表示。通过适当的光学设计，减小激光光斑尺寸非常简单。SLM工艺中的光学系统通常由准直器、光束整形器、扫描仪和作为物镜的F-θ透镜组成。传统和微观SLM机器中的扫描系统通常使用由两个反射镜组成的检流计，以在至少两个轴上引导激光束。在由Regenfuss等开发的最初的一套SLS系统中[32]，扫描场为25 mm×25 mm的SCANLAB光束扫描仪与Q调Nd:YAG激光器一起使用，在TEM00模式下功率为0.1~10 W。为了实现更精细的光斑尺寸，光学设计还可以包括其他机制，例如数字镜装置[44]。然而，对光学系统的详细评测超出了本研究的范围。4.3. 粉末几种粉末特性（图3）会影响SLM工艺的性能，并由此影响制造的部件质量。粉末形状、尺寸和表面粗糙度是影响粉末流动性的最重要参数，并会因此影响粉末床性质、熔池性能和部件特性[76–78]。Olakanmi [79]研究了粉末特性对纯铝和铝合金的SLM/SLS工艺表现的影响。结果表明，粉末颗粒的形状对加工结构和致密化过程有显著影响，粉末中具有不规则形状的粉末颗粒加剧了附聚物和孔隙的形成。对SLM中原始Ti-TiB粉末形状的分析表明，不规则形状的粉末颗粒对致密化过程有消极影响，因此对抗拉强度也不利（（10Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx[80]。在对粉末特性的研究中，Cordova等[78]使用了不同的金属粉末，发现了最大粉末堆积密度，且具有最均匀的形态（即最大球形）。Liu等[71]观察到，由于有着不规则的角形态和细小的粒径，水雾化的11 μm粉末与表观密度和振实密度相比具有较低的PBD。这些研究表明，在进行SLM和AM工艺的加工时普遍认为应该采用球形的粉末颗粒[7,76,77]。正如Sutton等[76]所述，SLM中颗粒直径的影响已经被广泛研究。较小的颗粒尺寸通常会意味着更好的粉末堆积（表观密度增加）和较差的流动性[81]。相比之下，使用更精细的IN718粉末则表现出了较差的表观密度、振实密度和PBD [71]。在经过SLM工艺之后，更细的粉末会使最终部件的表面粗糙度更好[82,83]，但孔隙率增加[84]。Simchi [85]报道在没有结块的情况下，在SLM期间具有更细的粉末粒度或更大的表面积可以更好地使部件致密化。最佳粉末粒度取决于其他工艺变量，因为使用尺寸大于激光光斑尺寸和层厚度的粉末通常会导致不均匀的能量分布，这会进一步影响熔池行为[86]。除粒径外，PSD也会显著影响SLM过程[76,77]。Liu等[71]发现PSD越宽，表面粗糙度和部件密度越好；而PSD越窄，硬度和拉伸强度越好。确定最佳粉末粒径和PSD是具有挑战性的，因为具有窄PSD的细粉末会导致聚集，而具有更宽PSD的粗粉末则会导致分离[85]。此外，许多研究[87–89]强调双峰或多峰粉末分布增加了粉末堆积密度和部件密度。基于这一优势，Vaezi等[14]提出了一种用于微尺度黏合剂喷射工艺的双峰方法，以改善零件表面质量。传统的SLM / SLS通常使用粒径为25~50 μm的粉末，而微SLS工艺需要直径远小于10 μm的颗粒。微米级和亚微米级粉末已经在微SLS系统中进行了测试，但在零件质量方面表现出了局限性[20,31]。Regenfuss等[33]使用0.3 μm的粉末进行激光微烧结工艺，以产生图7所示的特征。Fischer等[31]使用尺寸为3.5 μm的粉末，但最精细的特征分辨率为约57 μm。为了制造亚微米特征，纳米粉末是必要的。然而，纳米粉末由于高表面积与体积比而导致过度聚集和氧化[44]。图10 [33,90]显示了不规则形状和细球形粉末颗粒的聚集。在纳米尺度上，范德华力大于重力[90]。团聚会增加颗粒间的摩擦并降低粉末的流动性，导致不均匀的粉末分层[76]。进一步的效果包括球化效应和孔隙率的增加。除了凝聚之外，为了改进微观SLM体系，还需要解决细粉粒子带来的其他问题。这些问题如下：? 细微粉末颗粒的反射率较高，降低了SLM过程中激光照射的吸收率。? Nguyen等[82]观察到在IN718的SLM期间，惰性气体流带走了粒径小于几微米的细微粉末颗粒。? 如在SLM中所观察到的，细微粉末颗粒可能在非常高的能量密度下蒸发，导致部件密度降低[71]。? 另一个缺点是细微粉末颗粒的反应性，这使得其在处理和运输过程中需要额外的安全措施。4.4. 粉末重涂系统据报道，金属微SLM/SLS工艺的主要问题是传统的重涂系统无法有效地将粉末沉积在粉末床上。学界一直认为有必要研发一种新型粉末重涂机制，以便均匀散布亚微米级或纳米级的粉末。然而，如前所述，纳米粉末由于高表面积与体积比并且导致高表面能而易于过度聚集。在纳米尺度下，范德华力大于重力，导致在AM过程的重涂步骤中形成不均匀的粉末层。为了实现具有良（b）具有不规则形状的铜纳米颗粒（平均粒径为100 nm）；（c）球形铜纳米颗粒，尺寸为40 nm。（a）转载图10.（a）亚微米粒状钨粉末的附聚；自参考文献[33]，经Emerald Group Publishing Limited许可，?2007；（b）和（c）转载自参考文献[90]，经Elsevier B.V.许可，?2018。Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx11好粉末堆积密度的有效分层，微SLM需要采用以下一种或多种方法：? 有效的粉末分配策略，以避免粉末堵塞；? 凝聚粉末的机械分离；? 热能增加填料密度（预热/预烧结）；? 使用额外的黏合剂进行有效分配（基于浆料）。为了设计应用范围不限于微SLM的新粉末分配策略，有必要理解当前在传统SLM中使用的现有技术。4.4.1. 目前应用的耙动法粉末床重涂取决于粉末的流动性，这同时受到粉末和设备特性的影响[91]。必须首先增加流动性以获得更好的粉末分布，而粉末在被铺展后还需要完好无损。大多数商业SLM / SLS系统使用刮刀或滚筒重新涂覆粉末层（图11）[20,45,92,93]，如表2所述。应用最为广泛的机制是使用刮刀平整，如图11（a）所示。刮刀是一小块金属或陶瓷，用于将粉末刮过粉末床的表面。由于粉末没有通过刀片撒布器流化，因此会将高剪切力施加到先前沉积的层[94]。预计在刀片上施加超声波振动会降低这些剪切应力。滚筒是第二常用的粉末耙动设备。滚筒通过在粉末床上的平移或顺时针旋转产生向前旋转运动，称为正向旋转滚筒（FR），如图11（b）所示。这种方法倾向于将粉末压实，因为在其平移期间滚筒前面有更多的粉末[91]。但是在向前运动期间，会有粉末黏在滚筒上并在粉末床中形成凹坑。在相反方向上的滚筒旋转，称为反向旋转滚筒（CR），具有更好的流动性，因为它在粉末流化的同时迫使粉末上升[图11（c）]。但是，通过CR方法无法压实粉末。Niino和Sato [92]提出了FR和CR的组合设置，如图11（d）所示。CR首先从床上除去多余的粉末，这对于通过FR将粉末更好的压实有帮助。Budding和Vaneakar [91]用刮刀取代了CR，以便在减少处理时间的同时得到相同的刮擦效果。然而，这些方法仍然会在粉末床上产生凹坑。Roy和Cullinan [45]分别使用刮刀和CR，以分别平整和压实粉末床。在图11（e）所示的装置中，加入CR的振动以压实最初由刮刀扩散出的粉末。Haferkamp等[93]使用三个滚筒的组合来提供正向和反向旋转的滚动动作[图11（f）]，其中层厚度由滚筒之间的距离控制。Regenfuss等[20]除了刮刀外还使用压实圆筒，以分散、压实用于微粉末床工艺的细粉末。粉末耙动系统的示意图如图11（g）所示。在该设置中，构建基板、熔化部分和新粉末层下方的剩余粉末朝手动盖向上提升，以压实粉末。表3 [20,37,45,91–93]比较了文献中描述的不同粉末耙动系统。现有的耙动系统对于传统的SLM工艺是有效的，因为在现有工艺中，粉末扩散中的微小不准确性可以忽略不计。然而，在微观尺度上，类似的问题可能导致制造的零件尺寸出现较大的偏差。由于微粉末被用于微观SLM，这样的情况会加剧。尽管一直致力于改进耙动方法，但那些方法缺乏微SLM所需的精度。现有的重涂方法无法在粉末床上获得均匀、致密的细粉末层[33,38,45]。细粉末颗粒与耙粒组分之间的相互作用极大地影响粉末扩散的效率。文献综述表明，耙动系统不仅可以将粉末分散到粉末床上，而且可以提供更好的体积填充密度。因此，需要有效的粉末重涂系统来将层厚度控制到亚微米级或纳米级精度，同时沿着粉末床产生均匀的粉末分布。4.4.2. 干粉分配为了克服当前粉末分配系统存在的问题，Vaezi等[14]建议使用干粉分配技术，特别针对微观PBF工艺流程。 干粉分配的机械方法包括气动、容积和螺旋/螺旋钻方法，这些方法进料速度慢并且不能处理细粉末[95]。这些方法的空间分辨率比微SLM所需的空间分辨率低至少两个数量级。振动方法在细粉供给领域受到越来越多的关注。这些方法使用振动行为来增加自由体积，从而改善粒子位移[95]。震动法还能破坏粒子附聚物。Matsusaka [96]首先使用垂直毛细管的振动[如图12（a）所示]来控制粒径为20 μm和不规则形状的细氧化铝粉末的流动。由于黏合性，细粉末不能完全通过重力流过毛细管。当通过可变直流（DC）电动机在毛细管上引起振动时，它会传播到粉末中，导致管壁和粉末之间的摩擦应力降低。振动的幅度和频率都是影响流速的关键参数。粉末流速与振动频率成正比，但与振幅成反比。该研究小组使用超声波换能器来引起毛细管振动[97]。Yang和Evans [98][如图12（b）所示]开发了类似的装置，使用基板上尺寸为12 μm的粒子来印刷多边形碳化钨粉末颗粒。Li等[99]使用由压电传感器产生的超声振动来馈送3 μm铜和SS粉末。由于超声频率中的微振动，内壁附近的薄粉层表现为润滑剂。由于超声波沿着毛细管行进，超声波粉末进料的好处在于其防止粉末聚集并实现连续和均匀粉末进料的能力。Yang和Evans [95]开发了一种系统，如图12（c）所示，使用单独的粉末料斗和混合料斗混合