3d打印机|激光增材制造中显微组织发展和技术挑战：以316L工业零件为例( 四 ) 冶金|锻造|显微镜

的研究中，这种类型的内部缺陷被称为\"成球\"现象，也可以用高毛细管不稳定性来解释。图3(d)描绘了通风口的顶部，在图3(a)中已经看到了近球形的凝固液滴。它们围绕顶部边缘的周期性排列在后面留下了冠状的特征。由于它们的直径约为500μm ，或比平均粉末颗粒大近7倍，每个液滴平均约为300至70000个粉末颗粒。图3(d)很好地说明了粒径的差异，因为一些粉末颗粒提供了部分的液滴覆盖。这些液滴的下方都有更浅和更弯曲的凹陷，这意味着液滴的形成是由表面张力驱动的，甚至可能是Marangoni型流动。自1980年代以来，表面张力被确定为焊接的关键因素，主要以硫、磷等微量元素为主[23
。由于表面张力对316L不锈钢的重要性及其对液池形态和凝固开裂的影响，我们后来重新讨论了表面张力的作用[2324
。

图3(a)为构建方向的通风口照片以及用于进一步近距离检查的选定区域；(b)靠近零件底部(左) ，由明显的厚度相似的圆周带，并确认通风口是垂直建造的；(c)为粗糙表面的特写视图，熔化和未熔化的粉末沿建造方向准周期性地聚集；(d)在通风口顶部观察到凝固的熔融液滴。

图4抛光的316L增材制造横截面的光学显微照片显示出微米级和亚微米级的空隙(凝固收缩) 。注意大空隙只有5μm 。
图4描绘了未刻蚀条件下的低倍光学显微照片，以突出潜在的内部缺陷。这张从抛光表面提取的显微照片揭示了残留的球形缺陷，包括无数亚微米空隙(<1μm)中的5μm空隙。与其他调查相反[1415
，发现通风口没有裂缝。这种微孔的存在是没有HIPing的AM沉积物的特征，并且在回顾中已经被一些低显微硬度读数推断出来(图2) 。与焊接相似，图4中的微孔是凝固收缩的结果，特别是来自固相与液相之间的体积变化，以及沿液固界面的潜在界面现象[24
。
图5给出了刻蚀截面的三个光学显微图。正如引言中提到的，显微组织乍一看是周期性的，每一层都由化学腐蚀突出。这种周期性现在被用来从序列的角度审视AM 。当一个层形成在已经建立的层上时，激光束会部分地重新熔化上一层。这个不断进行的过程，根据构建零件的需要重复多次，导致了这个周期结构。这种周期性结构在图5(a)的拼接图像中最明显，其中光滑的内表面(右侧表面)由于没有投影粉末而明显可见。图5(b)和(c)补充了图5(a) ，对壁的左、右两边有两个更高放大倍率的视图。图5(b)显示了两个球形粉末颗粒粘附在外壁表面。这两个颗粒还表现出内部凝固组织，以及一个相对较大的球形微孔(约15μm) 。尚不清楚这种微孔是由增材制造工艺产生的，还是预先存在于作为传递粉末中。图5(b)和(c)揭示了具有明显方向性的细小凝固组织，用规则间隔的块状白色“条带”向与热流相反的方向弯曲，或简单地表示为构建方向。与熔焊一样，凝固组织也由柱状向内外壁表面演变为更多的“等轴”枝晶向中壁截面演变。这些不同的微观组织现在是利用成熟的凝固理论应用于移动热源的讨论对象，并率先发展起来用于焊接[25-28
。

图5(a)低倍显微照片显示了一大片具有多层熔化、重新熔化和重新凝固的316L材料的管壁；(b)高倍显微照片显示了具有柱状的粗凝固结构外围的生长和朝向中壁位置的精细等轴树枝状结构；(c)对朝向内壁表面拍摄的显微照片的相同观察。
在AM中，与熔焊一样，移动热源使凝固速率和温度梯度在空间和时间上发生变化。在熔焊中，已知凝固前沿(即一条等温边界线，该边界线使固体晶体垂直生长)围绕热源弯曲，其曲率取决于工艺参数，特别是扫描速度。例如，随着扫描速度的增加，凝固前沿可能由近椭圆形转变为“泪滴” 。结果表明，凝固速度(Vs)与热源(激光束)扫描速度(V)的关系可能与凝固前沿法线与扫描方向的夹角有关，即Vs=V*Cos? 。因此，凝固速率从靠近熔池中心线的扫描速度向内表面和外表面降低到接近零。互补地，温度梯度在熔池中壁处最小，而在内部和外表面处最大。这些凝固速率和温度梯度的主要差异转化为不同的显微组织，并由经典的凝固理论很好地解释[25-28