金屬的增材制造（AM）工藝正在快速發(fā)展，與減材制造工藝相比，AM減少了設(shè)計(jì)限制，并可以大大減少材料浪費(fèi)。但是，要使金屬增材制造在航空航天中得到廣泛應(yīng)用，*解決一些基本問(wèn)題。

2020年4月8日，南極熊看到，華盛頓大學(xué)研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于“粉末重復(fù)利用對(duì)3D打印零件質(zhì)量的影響”的論文。該論文發(fā)表在《 Materialia》雜志上，主要研究的是Ti6Al4V粉末（可商購(gòu)的5級(jí)鈦合金）在電子束粉末床熔融工藝中重復(fù)利用所帶來(lái)的變化。

當(dāng)為安全關(guān)鍵型應(yīng)用（例如高應(yīng)力航空航天組件）制造零件時(shí)，質(zhì)量至關(guān)重要。在金屬粉末床熔融的工藝中，經(jīng)常通過(guò)粉末再利用來(lái)提高其經(jīng)濟(jì)性，但是隨著時(shí)間和使用周期的增加，降低了粉末的物理性能。原料的沉積，熔化和鋪設(shè)會(huì)在細(xì)粉顆粒上施加應(yīng)力，使它們從其原始球形變形，直到它們不再以*方式流動(dòng)為止。該研究小組希望研究高應(yīng)力部件的增材制造方式，以原材料的質(zhì)量及其對(duì)*終零件的機(jī)械性能的影響為重點(diǎn)。

本研究使用電子束熔化（EBM）技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行了30個(gè)構(gòu)建周期的打印，其中“ b1”是*個(gè)構(gòu)建周期，而“ b30”是*終構(gòu)建周期（約480 h的構(gòu)建時(shí)間）。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)約六個(gè)月，所有3D打印均在ARCAM A2X EBM系統(tǒng)上完成，研究人員在實(shí)驗(yàn)的每個(gè)階段對(duì)粉末進(jìn)行了表征，研究了粉末中顆粒大小的分布及其對(duì)成型質(zhì)量的總體影響。

每個(gè)構(gòu)建周期制造的樣本，圖片來(lái)自華盛頓大學(xué)。

結(jié)果表明，該過(guò)程的幾乎所有方面都受粉末再利用的影響。具體而言，粒徑分布變窄，顆粒的損壞會(huì)隨著重復(fù)使用而增加，包括表面變形（球形度降低），部分熔化和／或顆粒融合和破裂。在粉末上使用掃描電子顯微鏡后，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著粉末再利用周期的增加，其形態(tài)和表面質(zhì)量將顯著下降。在b1時(shí)，粉末顆粒基本上是球形的并且光滑。隨著循環(huán)的進(jìn)行，微小的顆粒*終融合在一起并粘附在周圍較大顆粒的表面上。到了b30，研究人員觀察到較大顆粒的損壞和變形很大，而較小顆粒則完全消失了。

△在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中粉末的形態(tài)， 圖片來(lái)自華盛頓大學(xué)。

然后，研究人員研究了金字塔試樣的晶粒微觀結(jié)構(gòu)，研究了它們?cè)谕徊糠种械母叨热绾尾煌约霸诹鶄€(gè)月的建造周期中它們?nèi)绾尾煌?。金字塔零件在靠近零件頂部的地方具有較緊密的編織圖案，而在3D打印零件的底部附近則具有較寬松的紋理結(jié)構(gòu)。隨著制造周期數(shù)的增加，零件的晶粒結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了稍寬的分布。根據(jù)研究，這表明零件的冷卻速率隨構(gòu)建高度的增加而增加，但在整個(gè)構(gòu)建周期中沒(méi)有顯著差異。

△金字塔試樣的晶粒微觀結(jié)構(gòu)，取決于高度和建造周期，圖片來(lái)自華盛頓大學(xué)。

詳細(xì)研究結(jié)果：

1． 粉末尺寸和形態(tài)

來(lái)自光學(xué)顯微鏡的原始粉末的顯微照片顯示在圖3（a）中。該顯微照片突出顯示了大范圍的粒徑，附著在較大顆粒上的附屬顆粒以及非球形顆粒的示例。來(lái)自每個(gè)構(gòu)件的粉末樣品的顯微照片用于通過(guò)圖像分析表征粉末尺寸分布。圖3（b）顯示了從顯微照片中從包括b1，b10，b20和b30在內(nèi)的多個(gè)版本獲得的尺寸分布。小顆粒的數(shù)量明顯減少，中值周圍的分布范圍逐漸縮小，變?yōu)楦咚狗植肌?

圖3．粉末特性 （a）b1的原始粉末的顯微照片。紅色箭頭突出顯示了原始粉末中存在的選定小顆粒。紅色圓圈突出顯示一些不規(guī)則顆粒。（b）粉末尺寸從b1擴(kuò)展到b30。

從LSPA獲得的粒度分布的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。這些結(jié)果以較高（D90）和較低十分之一（D10）百分位數(shù)以及中位數(shù)（D50）表示。盡管中值粒徑隨著粉末的重復(fù)使用而保持幾乎恒定，但D10的輕微降低和D90分布的更大幅度降低，從上下百分比分布的趨勢(shì)可以明顯看出。

圖4．粉末尺寸分布以及在30個(gè)構(gòu)建中重復(fù)使用粉末的情況。根據(jù)LSPA確定繪制第10，第50和第90個(gè)百分位。

除了顆粒尺寸的變化外，表面紋理和整體形態(tài)也會(huì)隨著重復(fù)使用而變化。圖5中顯示了b1和b30之間的粉末比較。具體地說(shuō)，圖5（a）至（e）分別顯示了來(lái)自b1，b7，b10，b20和b30的顆粒的代表性圖像。顯微分析表明，對(duì)于原始粉末，僅四個(gè)重復(fù)使用周期就發(fā)生了明顯變化。*值得注意的是小顆粒數(shù)量的減少（例如，圖5（a））以及形態(tài)變化。顆粒表面顯示出表面變形的跡象，包括凹痕（例如圖5（b）），凹痕的大小隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加而演變（圖5（c）－（e））。除了變形的發(fā)展程度外，還有一些不規(guī)則的高縱橫比顆粒，隨著粉末再利用的增加，顆粒數(shù)量普遍增加。此類別的粒子示例如圖6所示，其中包括破裂的粒子（圖6（a）），熔合的粒子（圖6（b））和看上去是重鑄的粒子（圖6（c））。）。

圖5．重復(fù)使用過(guò)程中粉末尺寸和形態(tài)的變化。（a）在原始粉末（b1）中，顆粒表面相對(duì)光滑并且具有高球形度。有許多細(xì)小顆粒會(huì)聚結(jié)或粘附在較大顆粒的表面。（b）－（d）中b7，b10和b20中粉末的代表視圖分別顯示了顆粒表面損壞的進(jìn)展和不存在細(xì)小顆粒的情況。在b30（e）中，顆粒是不規(guī)則的，具有一些主要變形和損壞。

圖6． b1，b14和b30粉末中的受損顆粒示例。分別顯示了（a）破裂，（b）團(tuán)聚／熔融和（c）熔融／不規(guī)則顆粒的樣品。通常，在通過(guò)SEM評(píng)估的所有結(jié)構(gòu)的粉末中都發(fā)現(xiàn)了這些類型的損壞顆粒。

2． 化學(xué)分析

關(guān)于化學(xué)成分的分析，圖7（a）給出了粉末中金屬元素的重量百分比分布，其是構(gòu)建和回收過(guò)程的函數(shù)。從該圖中可以明顯看出，V的重量百分比變化微不足道，而在30個(gè)構(gòu)建周期中Al的增加很?。?．03％）。Al和V的值適合于檢查組成的趨勢(shì)，但不一定用于獲得*組成。表1中列出了版本b1，b10，b20和b30的主要元素的平均度量。從表中可以明顯看出，F(xiàn)e從0．21wt％增加到0．29wt％。釔也包括在掃描中，但未出現(xiàn)在圖7（a）中，因?yàn)閮H在少數(shù)生成物中發(fā)現(xiàn)了釔，wt％約為0．001或更小。該Y水平遠(yuǎn)低于ASTM F2924 ［34］所規(guī)定的0．005wt％的極限。

圖7．在整個(gè)使用過(guò)程中粉末的化學(xué)成分。（a）XRF的Al，V和Fe顯示出幾乎恒定的趨勢(shì)。Fe保持在0．30wt％極限以下。（b）來(lái)自IGF的O，N和H。濃度極限用虛線和與元素協(xié)調(diào)的顏色表示。N和H含量保持恒定，而O含量隨重復(fù)使用而增加，并超過(guò)b1的0．20 wt％限制。

表1． b1，b10，b20和b30的粉末中關(guān)鍵元素的濃度。

與XRF的局限性相反，IGF技術(shù)為*復(fù)合物提供了準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)，如圖7（b）所示。O和N間隙地溶解到Ti晶格中，并在達(dá)到足夠的重量百分比時(shí)形成氧化物和氮化物，這會(huì)影響機(jī)械性能的各個(gè)方面。除了這些元素的實(shí)驗(yàn)方法外，還顯示了根據(jù)ASTM F2924 ［34］給出的Ti6Al4V的濃度極限。在所有構(gòu)件中，N的測(cè)量濃度在0．014 wt％處保持相對(duì)恒定，這遠(yuǎn)低于0．05 wt％的極限。類似地，H的濃度幾乎保持恒定，而粉末的再利用率約為0．0012 wt％，遠(yuǎn)低于0．015 wt％的限值。與其他污染物相比，O含量的重量百分比呈線性增加，如圖7（b）所示。b11的濃度超過(guò)0．20 wt％，這是ASTM F2924 ［34］定義的極限。每增加約0．007 wt％，b30中的O含量平均達(dá)到0．36 wt％，這是該等級(jí)鈦合金中允許的O極限的1．75倍。

3． 微觀結(jié)構(gòu)

顯微組織分析的*階段處理了先前的β晶粒寬度，其結(jié)果如圖8所示。對(duì)于圖8（a）的金字塔幾何形狀，先前的β晶粒寬度隨著沿中心軸的高度增加而顯著增加。基地到標(biāo)本的頂部。如圖中所示，無(wú)論構(gòu)建數(shù)量如何，都可以觀察到這種趨勢(shì)。先前的β晶粒寬度不會(huì)隨著構(gòu)建數(shù)的增加和粉末用量的增加而明顯增加。對(duì)于樓梯幾何形狀（圖8（b）），與金字塔的先前β尺寸相比，先前的β寬度尺寸顯示出更緊密的尺寸分布，且高度和總體寬度較小。對(duì)于所有建筑，樓梯的前β寬度在近似相等的高度（10．5對(duì)10毫米）處比金字塔小47％，而平均寬度低30％。

圖8．金字塔（a）和階梯（b）的先前β晶粒尺寸。

從SEM圖像獲得α板條厚度的測(cè)量結(jié)果，金字塔和階梯的b1和b30的微觀結(jié)構(gòu)的代表性圖像示于圖1和2中。分別為9和10。從這些圖中可以明顯看出，兩種構(gòu)建幾何形狀的微觀結(jié)構(gòu)都隨著構(gòu)建高度而發(fā)生明顯變化。這些變化是根據(jù)α體積分?jǐn)?shù)和α板條厚度以及構(gòu)建編號(hào)的函數(shù)進(jìn)行量化的（圖11）。具體地，分別在圖11（a）和11（b）中示出金字塔的α體積分?jǐn)?shù)和α－板條厚度，在圖11（c）和（d）中分別示出樓梯的α體積分?jǐn)?shù)和α－板條厚度。通常，α特性表現(xiàn)出對(duì)構(gòu)建高度的依賴性。在金字塔中，除了b20以外，所有構(gòu)建編號(hào)的α體積分?jǐn)?shù)均隨構(gòu)建高度的增加而減?。▓D11（a））。α－板條的厚度也隨著距模板的距離的增加而減小，并且隨著粉末的再利用程度的提高而展現(xiàn)出這種空間特征的擴(kuò)大（圖11（b））。對(duì)于樓梯，α相的體積分?jǐn)?shù)似乎在空間上的依賴性較?。▓D11（c）），并且隨著重復(fù)使用沒(méi)有明顯的趨勢(shì)。圖11（d）顯示了樓梯樣本自由表面的α板條厚度測(cè)量值與位置和建造數(shù)量的關(guān)系。粉末再利用的分布似乎在擴(kuò)大，這與金字塔相似。在比較兩種幾何形狀的響應(yīng)時(shí)，金字塔和階梯之間的微觀結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是金字塔中的α體積和板條厚度的分布范圍更廣，并且隨著粉末的重復(fù)使用，α板條厚度也隨之增加。不論在成型零件中的位置如何（表2），隨著粉末的再利用，α板條厚度只有一個(gè)趨勢(shì)。

圖9．金字塔形試樣從底部到頂部的距零件底部2、10和22mm的微觀結(jié)構(gòu)。在每個(gè)高度上，從b1（左）和b30（右）顯示了顯微照片。請(qǐng)注意，從金字塔的底部到頂部，籃狀圖案趨于緊密。

圖10．樓梯樣品從底部到頂部的微結(jié)構(gòu)，距零件底部0．5、5．5和10．5mm。在每個(gè)高度上，從b1（左）和b30（右）顯示了顯微照片。請(qǐng)注意，從樓梯的底部到頂部，籃筐的織造趨于緊密。

圖11．α含量的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。（a）金字塔樣品的α體積分?jǐn)?shù)百分比。（b）金字塔樣本的α板條厚度（以微米為單位）。（c）和（d）分別與（a）和（b）相同，但對(duì)于階梯試樣。

表2．金字塔和樓梯零件的關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)特征。值是給定零件中所有高度的平均值。

*終結(jié)論

基于對(duì)5級(jí)Ti6Al4V的EBM AM中的粉末重復(fù)使用的實(shí)驗(yàn)研究，該例程涉及30個(gè)連續(xù)構(gòu)建，得出以下結(jié)論：

（1）粒度分布從原始條件（b1）的雙峰分布演變?yōu)榉勰┰倮玫母咚狗植?。此外，粒度的范圍隨著粉末再利用程度的提高而減小，這是由于衛(wèi)星和小顆粒數(shù)量的減少（10D10）以及*顆粒平均直徑的減小所致。

（2）在30個(gè)構(gòu)件中，主要合金元素（Al和V）和金屬污染物（Fe和Y）的濃度遠(yuǎn)低于ASTM F2924定義的5級(jí)Ti6Al4V的限值。此外，H和N的濃度仍遠(yuǎn)低于其各自的極限。

（3）隨著粉末的重復(fù)使用，O污染呈線性增加，并且在30個(gè)構(gòu)建周期內(nèi)增加了一倍以上。通過(guò)b11，O的濃度超過(guò)了0．2wt％的極限。

（4）隨著重復(fù)使用，粉末*顯著的變化之一是顆粒表面變形增加和物理?yè)p壞。顆粒的形狀隨著重復(fù)使用周期的變化而變化，從球形幾何形狀逐漸變形為表面凹痕和不規(guī)則形狀。粉末降解的這一方面似乎是由回收和零件提取過(guò)程的機(jī)械方面引起的。另外，隨著粉末的再利用，斷裂的顆粒，部分熔融的顆粒和重鑄的顆粒增加。

（5）金字塔中心軸的α板條厚度隨成型高度的增加而減小，隨粉末再利用而略有增加。這表明冷卻速度隨構(gòu)建高度的增加而增加。相反，中心軸先前的β晶粒寬度隨成型高度而增加，但隨著粉末再利用而沒(méi)有增加。這意味著超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時(shí)間隨構(gòu)建高度的增加而增加，但是粉末再利用不會(huì)影響超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的時(shí)間。

（6）樓梯自由表面的α板條厚度不依賴于構(gòu)建高度或粉末再利用。這意味著冷卻速度在整個(gè)構(gòu)建高度中保持恒定，而回收的構(gòu)建在自由表面處保持不變。先前的β晶粒寬度隨構(gòu)建高度而增加，但遠(yuǎn)低于金字塔中的寬度，這表明不管高度如何，自由表面條件都會(huì)經(jīng)歷相似的熱歷史。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“ Electron beam additive manufacturing of Ti6Al4V： Evolution of powder morphology and part microstructure with powder reuse”中找到。它由S． Ghods，E。Schultz，C。Wisdoma，R。Schur，R。Pahuja，A。Montelione，D。Arola和M． Ramulu合著。