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( 七 ) 冶金|锻造|显微镜

高质量的粉末对稳定射流的形成至关重要，因为粉末进给速度的任何不一致都很可能导致局部缺陷，从而可能损害零件的完整性。对于粉末而言，内部特性(例如，形态、颗粒尺寸、气体含量、表观密度)和外部特性(例如，氧气污染、氢吸附)以及粉体的流动动力学都需要特别关注。商业可用的粉末原料可能不仅仅包括固体颗粒。例如，它们还可能包括水分以及可能在AM热分解时释放的夹带和储存的气体。作为一种预防措施，粉末原料需要详细的规格，特别是对于要求较高的AM应用。在可用的粉末中， Li等人[15
证实了气雾化和水雾化316L不锈钢的AM性能不同；气雾化粉末通常较好地实现了较高的致密度和优异的性能。同样， Gu等人[22
的独立研究指出了粉末形态的重要性，用球形粉末反复表现出不规则形状粉末。除了原料采购之外，长期储存和环境保护(例如，水分、冷凝水以及由此产生的腐蚀)显然是一个令人担忧的问题，也是零件间变化的可疑来源。作为额外的预防措施，钛粉和铝粉需要惰性和干燥储存，而钢通常只需要干燥储存。湿度是水的有效来源，它在能量束下分解并释放氢，对工程合金造成众所周知的后果，如高强度钢的氢脆和延迟断裂，铝的多孔性。直观地说，表面积增大的细粉更具反应性，在AM中也是更大的技术挑战来源。在研究颗粒尺寸对激光烧结的影响时， Simchi[36
发现氧的存在显著影响铁粉的孔隙度，进而影响烧结致密化。在高氧浓度下，观察到投射的熔融金属以团聚体的形式凝固，导致孔隙度增加，明显朝向构建方向。众所周知，氧在铁合金和钛合金中具有表面活性[23
，并且是许多工程合金中氧化物夹杂物的来源，这些氧化物夹杂物可以有效地形成新相或促进新相形态，例如低合金钢中的针状铁素体。氧也是钛及其合金中的固溶强化剂；因此，控制氧含量对于保证性能的一致性也很重要，特别是适当的强度和韧性。与焊接耗材一样，增材制造粉末可能需要严格控制，不仅对残余气体，而且对微量元素也有要求，因为过去焊接技术的经验表明，钢或钛中硫和氧等元素的微小变化也会改变表面张力和熔池动力学[23
。对微量元素的控制对原料从产地选择到质量控制都有限制。其他重要的要求还有粉末形态、堆积密度和静电充电趋势等。 40到80μm范围内的球形粉末似乎最适合现有的3D打印机，包括CLAD 3D打印机。粉末尺寸的广泛分布也是不理想的。用粗粉生产AM零件时，较大的粉末可能只会部分熔化。尽管没有得到很好的证实，但从柱状晶和枝晶的尺度，到它们的方向和晶体取向，可能会对显微组织产生影响。
理论上，任何焊接热源都可以用来熔化和熔合所转移的原料。在实践中，选择适当的热源仅限于那些维护成本低、易于调节、可持续地再现具有适当结构完整性、良好表面光洁度(包括内部特征)和具有竞争力成本的近净成形零件。具有毫米量级可控聚焦光斑和超过约105W/cm2功率密度的激光和电子束已被用于以较高的扫描速度生成薄壁层。如图3和图5所示，在粉末进料AM中，表面光洁度与粘附在外壁上的粉末密切相关。对于给定的喷嘴设计，通过对光束功率、扫描速度、聚焦、送粉速率和表面光洁度的适当优化可以得到改善。其他研究证实了316L不锈钢的增材制造表面光洁度的改善，特别是Simchi[36
和Krol等人[37
。 Strano等人[38
对316L不锈钢SLM零件的表面光洁度加工进行了单独的研究，强调了工艺参数对粉末和粉末颗粒尺寸的适当调整。例如， Strano等人[38