增材制造金属材料各向异性的研究现状.pdf

第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.004江苏科技大学学报（自然科学版）Vol.37No.3Jun.2023增材制造金属材料各向异性的研究现状陈靓瑜,秦博渊,褚宇航,郑传波,姚增健（1.江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江2 12 10 0）（2.国家模具质量监督检验中心，昆山2 1530 0）摘要：近年来，人们利用增材制造这项高性能、高效率、低成本的高潜力技术制造出了许多传统工艺制造不出的复杂零件.但是，由于增材制造技术和扫描策略的不同,采用增材制造技术制备的样品在微观结构和力学性能上具有三维各向异性.文中通过对不同增材制造技术的特点进行对比,从而讨论其生产出的不同金属样品组织和性能的区别，通过对组织的分析来探索其性能上的差异，进一步了解样品的各向异性，并简要说明他们之间的差异.最后，根据目前的研究成果，提出了未来研究还需解决的问题，关键词：增材制造；微观组织；各向异性；钛合金；镍基合金中图分类号：TG174.4Review of anisotropy of additive manufactured metal materialsCHEN Liangyu,QIN Boyuan,CHU Yuhang,ZHENG Chuanbo,YAO Zengjian(1.School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)Abstract:In recent years,manufacturing,a high-performance,high-efficiency,low-cost,high-potential technol-ogy,is used to produce many complex parts that cannot be produced by traditional processes.However,due tothe difference in the scanning strategies of additive manufacturing technology,the three-dimensional parts pre-pared by additive manufacturing technology has three-dimensional anisotropy in the microstructure and mechani-cal properties.This study compares the characteristics of dfferent additive manufacturing technologies and dis-cusses the differences in the microstructure of different metallic parts produced by them.Finally,according tothe current research,the problems need to be solved in future research are put forward.Key words:additive manufacturing,microstructure,anisotropy,titanium alloy,nickel-based alloy近年来,随着对零件复杂性的需求日益增加，传统的制造技术已经不能够满足这些需求.在这种情况下，一些优化设计零件的方法随之出现，如增材制造技术（additive manufacturing，A M）.增材制造技术是一种可以制备复杂形状零件的生产方法,这项技术通过将连续的金属原料层熔化 2 来制造一个组件.在增材制造过程中，聚焦的激光或电子束的扫描按照一定的策略被设定在一个预期的模式，以此来熔化金属原料材料从而制造所需的产品.材料可以通过在粉末床熔化（powderbed收稿日期：2 0 2 1-0 8-16基金项目：江苏省六大人才高峰资助项目（XCL-117)；江苏科技大学深蓝人才项目作者简介：陈靓瑜（198 2 一），男，博士，副教授，研究方向为金属材料腐蚀、等离子喷涂涂层等.E-mail：l y c h e n j u s t.e d u.c n引文格式：陈靓瑜，秦博渊，褚宇航，等.增材制造金属材料各向异性的研究现状 J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 2 3,37（3）：18-2 3.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.004.文献标志码：A(2.National Dies and Molds Quality Supervision Test Center,Kunshan 215300,China)文章编号：16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-0 18-0 6melting，PBF）【3 过程中扩散和选择性熔化单个粉末层，或通过定向能沉积（directed energy deposi-tion，D ED)过程中的同轴喷嘴连续定向到熔体池来输送到工件 4.增材制造技术主要包括选择性激光熔化（selectivelasermelting，SLM）、激光立体成形（laser solid forming，LSF）、电子束熔化（elec-tron beammelting，EBM）5】、直接金属激光烧结技术(direct metal laser-sintering，D M LS）等.增材制造作为一种高性能、高效率、低成本的高潜力技术，已经引起了制造和科研行业的强烈关注，第3期增材制造过程中不同的扫描策略通常会导致金属工件产生组织和力学性能上的差异 6 .通过不同的激光扫描模式可以制造出具有完全相同形状和尺寸的部件.然而，由于激光束的横向路径会影响凝固模式，因此具有完全相同几何形状的部件可能有着不同的凝固模式.AM工艺参数显著影响着固液界面的局部温度梯度和凝固生长速率.高功率密度、低激光功率和高扫描速度有利于柱状晶粒向表面外延生长.单晶衬底的晶体取向也影响了柱状树枝晶的取向 7 .相比之下,多晶基底包含许多随机取向的晶粒.对于这些基板上的晶粒，它们的生长方向平行于或几乎平行于立方材料的局部热流方向.由于某些典型的扫描策略,增材制造制备的金属材料在样品的不同平面上表现出不同的显微组织特征,从而产生力学性能的各向异性.同样,许多研究者认为增材制造制备的材料的电化学耐蚀性与样品平面（即构建面和构建方向面）不同可能是由于它们的微观结构不同造成的.因此,文中将通过对不同增材制造技术所制备出的金属样品进行各向异性的研究,深入了解其制备样品的组织性能，1SLM制造金属材料的各向异性选择性激光融化是当下流行的一种新兴增材制造技术，并且这项技术易于操作.首先，在工作平台上铺一层薄薄的金属粉末，然后通过激光束选择性地熔化粉末 8 .与传统制造技术相比,SLM具有广泛的优势，例如无需昂贵的模具即可进行生产，并且材料利用率高，具有高度的灵活性.更重要的是，由于累加和逐层生产,SLM工艺能够产生传统处理方法所不能生产的复杂几何零件 9.如图1L10),SLM系统一般包括控制计算机系统、加工激光器、自动给粉容器、主要辅助部件（如惰性气体系统保护、滚筒/刮刀、溢流容器等）.XY扫描系统主容器3重涂器激光束刮刀粉床溢出粉末Fig.1Schematic diagram of the selectivelaser melting process陈靓瑜，等：增材制造金属材料各向异性的研究现状X-平面图2 SSLM处理样品的X,Y和Z平面的示意Fig.2Schematic diagram of X,Y and Z planeof a SLM-produced sample1.1SSLM制造钛合金的各向异性正如文献14 中提到，研究者们研究了不同Ti-6Al-4V样品的XY面（构建面）和XZ面（构建方向面）在质量分数为3.5%NaCl和1MHCl溶液中耐蚀性上存在的差异.本工作采用动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)测试等方法研究了SLM制备的Ti-6Al-4V合金的腐蚀行为.研究得出经SLM处理的合金在不同平面上的耐腐蚀性与残余应力没有明显关系 15;如图3(a),SLM制备的Ti-6Al-4V在XZ平面上具有显著的构建层边界 16 .总体来说,SLM生产的Ti-6Al-4V合金的XZ面和XY面都显示出降低建造平台大量的针状马氏体.在图3的光学显微图中，大刮平粉床3扫描部件区域熔池基板图1选择性激光熔化工艺示意19SLM 制备的样品往往具有独特的柱状晶粒 12 组织.迄今为止，SLM已制备出多种金属材料，包括钛合金、不锈钢、高熵合金和钻铬合金，在不同的应用领域中，这些金属材料均具有较高的潜力.然而,由SLM制备的样品组织与传统的铸造或锻造方法制备的样品组织存在着差异，由传统制造工艺制备出的Ti-6Al-4V合金的组织成分为相和相,而SLM制备的样品组织成分则为相和相 6 .SLM生产的材料在不同的生产平面上由于线状和分层状的形成X、Y、Z平面 13（图2）,其性能和微观结构会有所不同.样品表面观察到的细长柱状颗粒或多或少地沿着制备方向，但没有完全指向Z面的垂直方向，有时会稍微倾斜 9.因此，不同平面的显微组织会导致材料性能的各向异性,如延展性、韧性、疲劳强度、缺口韧性和导电性等.ZYX部分区域都有明显的针状马氏体.XY平面和XZ平面的显微组织中均出现了气孔等缺陷，这是因为在激光扫描过程中存在粉末的堆积以及表面层过于粗糙.从图4L14中可以观察到在3.5%NaCl溶液中,XY平面和XZ平面之间的腐蚀差异非常小,但在1MHCI溶液中，XY平面显示出更好的耐腐蚀性.这是由于SLM生产的Ti-6Al-4V合金的微观结构为针状马氏体相和少量-Ti 相,且 SLM生产的样品合金的XZ平面比XY平面由更多的Z-平面Y-平面20-Ti和更少的-Ti 相组成,这导致XZ平面的耐腐蚀性较差.因此，耐腐蚀性的差异归因于显微组织中相和-Ti 相的量的不同.孔洞孔洞构建方向先前粒状晶粒(a),XZ面针状马氏体江苏科技大学学报（自然科学版）XZ平面具有更好的耐腐蚀性.如图5,XY平面的深孔和小口径的Si壳可导致腐蚀产物的生长甚至沉积.在腐蚀过程中,腐蚀产物可能会挤出硅壳,并最终导致硅壳破裂.如果没有Si壳层的覆盖，CI-会不断地渗透到铝基体中,最终导致严重的点蚀.针状马氏体而对于XZ平面，由于腐蚀产物无法沉积在浅孔和Si壳中，只能转移到试验溶液中.未损坏的Si壳层50um和合金表面形成的氧化膜构成保护层，保护铝基板免受CI的攻击,所以XZ平面的耐腐蚀性能要优于XY平面.因此,其耐蚀性的区别可以归因于共200m晶硅颗粒编织的硅壳结构的不同 18 .XY面浸没在NaCI溶液中2023年XY面浸没在NaCI溶液中孔洞50um先前晶粒200m(b)XY面图3SLM制得Ti-6AI-4V样品XZ面和XY面的光学显微结构Fig.3Optical microstructure of Ti-6Al-4V sampleXZ plane and XY plane prepared by SLM2.5SLM制备的Ti-6AL-4V的XZ平面2.0F1.5SLM制备的Ti-6AL-4V的XY平面1.0在3.5%NaC1溶液(XY,XZ平面)0-0.5F-8.0-7.57.0-6.5-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0log/(i,Acm)图4SLM制备的Ti-6AI-4V合金在3.5%NaCI溶液和1MHCI溶液中的XY和XZ平面的动电位曲线（每个样品测试3次）Fig.4 Potentiodynamic curves for the XY-and XZ-planesof SLM-produced Ti-6Al-4V alloy in 3.5%NaCI solutionand 1 M HCI solution(test three times for each sample)1.2SLM制造其他合金的各向异性文献 17 采用电化学测量和显微组织等研究方法研究了SLM制备的Al-12Si合金不同表面的腐蚀行为.电化学结果表明，在3.5%的NaCl溶液中,与XY平面相比,SLM制备的Al-12Si合金的腐蚀产物的形成腐蚀产物挤压和破坏Si壳：XY面上Si壳的腐蚀部分共晶硅颗粒腐蚀产物图5SLM生产的AI-12Si合金在3.5%NaCI溶液中XY和XZ平面的腐蚀过程示意Fig.5Schematic diagram of the corrosion processof the AI-12Si alloy produced by SLM in the XY andXZ planes in 3.5%NaCl solution2LSF制造金属材料的各向异性:AE,AE,!1腐蚀产物的形成腐蚀产物转移到测试溶液中，没有挤压Si壳XZ面上Si壳的腐蚀部分铅基板保护层在1MHCI溶液中激光立体成形是一种基于金属粉末的高性能(XY,XZ平面)增材制造技术，该技术是一个单步无废弃物的工ixz艺,具有高沉积速率的3D近净形状零件可以通过该技术制备.晶粒特征值得引起人们的关注，如尺寸、形貌、织构等与其加工方法密切相关.与常规铸造和锻造件相比，LSF制备的零件晶粒更粗，亚显微组织更细,没有宏观偏析 19-2 0 1.激光固体成形制备的Ti-6A1-4V的微观组织一般为柱状晶,其晶粒特征对激光功率、扫描速度等工艺参数的变化以及沉积层位置的变化非常敏感.如文献 2 1 所提到,由于LSF制备的Ti-6Al-4V采用了一些典型的扫描策略，导致其在不同平面上表现出不同的显微组织特征.研究者们认为不同平面的微观结构差异不仅导致了力学性能的各向异性，还可能导致电化学阳极溶解行为的差异 2 2 .所以文献 2 1 通过对Ti-6Al-4V合金的显第3期微组织、电化学阻抗、Tafel极化曲线和动态电位极化表征进行分析，研究了LSF制备的Ti-6A1-4V合金的电化学阳极溶解行为。图6 为LSF制备的Ti-6Al-4V合金垂直和水平方向的微观组织.可以看出，垂直和水平面上都显示出类似的层状结构（+）.对于LSF制备的Ti-6Al-4V,在垂直平面上，如图6（a），样品的微观组织更加均匀.相比之下,LSF制备的 Ti-6Al-4V在水平面上的板条尺寸分布范围更广，这意味着微观组织分布不均匀.因为沉积具有快速凝固 2 3 和部分快速再加热和冷却的特点，所以能够观察到细小的魏氏组织 2 2 .电化学结果表明,LSF制备的Ti-6Al-4V的阳极溶解特性在不同平面上存在差异性.在15%NaCl溶液中,水平面（XOY面）比垂直平面（XOZ面）具有更高的耐腐蚀性能.LSF制备的Ti-6Al-4V合金的显微组织以细小的板条马氏体为主,还有少量的相 2 4,与垂直平面相比,LSF制造的Ti-6Al-4V的水平平面-Ti相较多，相含量较低，板条略细，板条宽度分布较垂直平面不均匀，并且水平平面样品具有较好相10m(a)垂直处图6 LSFedTi-6AI4V合金垂直和水平处的显微组织Fig.6Vertical and Horizontal microstructureof LSFed Ti-6Al4V alloyTable 1 Comparison of metal materials manufactured by different manufacturing processes制造工艺扫描策略Z字形激光扫Ti-6Al-4V描SLM每层之间的扫描方向旋转Al-12Si90Z字形激光扫LSFTi-6Al-4V描交替扫描,其中每个层的阴影DMLSAlSi10Mg方向从前一个旋转6 7 陈靓瑜，等：增材制造金属材料各向异性的研究现状制造近网状形零件的技术.文献 2 5 对采用直接金属激光烧结技术制备的AISi10Mg合金的不同表面进行了显微组织分析和显微硬度测量.XZ平面（垂直截面）样品的微观结构主要由具有一些等轴晶胞的柱状晶粒组成,而XY平面（水平截面）样品的微观结构主要由具有一些柱状晶粒的等轴晶胞组成 2 6 .相应地，研究者们发现大多数晶粒的形态从XZ平面的柱状变为XY平面的等轴状.此外如图7,两个平面均显示出不同的XRD图谱，其中所有峰均标为Al或Si.XZ平面样品的平均显微硬度值与XY平面样品的平均显微硬度值非常相似（两者相差小于3%）,这相归因于两个平面上有着随机的晶粒取向.在这项10Hm研究中,DMLS制备的AISi1OMg合金的平均显微(b)水平处硬度比铸造合金的平均显微硬度高约2 4%.表1不同制造工艺所制造的金属材料对比金属材料微观结构特征针状马氏体相和少量相.XZ平面比XY平面由更多的-Ti和更少的-Ti相组成.铝基板中分布着大量的纳米级共晶Si颗粒，且共晶Si颗粒都织出了不规则的Si壳细小的板条马氏体为主和少量的相.与XZ面相比,XY面-Ti相较多,相含量较低，板条略细，板条宽度分布较XZ面不均匀.具有细小的胞状枝晶网络，这些网络边界在Si中富集.XZ面微观结构以柱状晶胞为主，也有一些等轴晶胞；XY面微观结构以等轴晶胞为主，也有一些柱状晶胞.大部分晶粒的形态从XZ面为柱状转变为XY面为等轴状.21的耐蚀性和较高的初始加工潜力.因此，阳极溶解过程的各向异性特征归因于微观结构特征的差异，包括各组成相的含量、相尺寸和相尺寸分布.3DMILS制造金属材料的各向异性表1列举了SLM和LSF技术制备的部分合金的各向异性直接金属激光烧结是一种利用计算机辅助设计数据、在激光光源的帮助下熔化不同的层来直接在1 M HCI溶液中，与XY平面相比,XZ平面的耐腐蚀性较差.在3.5%的NaCl溶液中,XZ平面具有更好的耐腐蚀性.在15%NaCl溶液中，XY面比XZ面具有更高的耐腐蚀性能和较高的初始加工潜力.两个平面的平均显微硬度值非常相似.然而,DMLS制造的合金的平均显微硬度比压铸合金的平均显微硬度高.性能差异224结语增材制造技术在过去的十年里发展迅速，且增材制造技术相比于传统工艺更具有市场竞争力.此技术主要应用于生物医学、航空航天、汽车、海洋等工业部门.不同类型的增材制造技术，扫描策略的不同都会造成机械性能的差异.如果所制造的零件应用于承重结构，必须了解其各向异性.造成各向异性的原因可能为不同的微观结构特征或制造缺陷.增材制造的金属工件存在各向异性，但相比于铸件和锻件，其准静态力学性能依然满足最低要求.但如果要获得可观的疲劳性能,需要一定的后处理,现对后处理的研究也仍需继续.各向异性也体现在试样不同表面上腐蚀性能的差异.考虑到使用增材制造技术制备的金属样品在某些环境中的用途，进一步研究其制备的样品在不同平面上组织的各向异性具有重要意义.未来的研究方向则是提供克服增材制造部件各向异性的解决方案.此外，大多数可用的研究仅集中在垂直于构建方向的样品上,因此构建取向对机械性能的影响仍不清楚.尽管各国学者们已经对其各向异性进行了许多的研究,但还是存在着不足.因此在今后的研究中,依然需要进行大量的实验来探索其原理，参考文献(References)1CALIGNANO F.Additive manufacturing(AM)of me-tallic alloysJ.Crystals,2020,10(8):704.2GU D D,MEINERS W,WISSENBACH K,et al.La-ser additive manufacturing of metallic components:ma-terials,processes and mechanisms J.InternationalMaterials Reviews,2012,57(3):133-164.3闵捷，温东旭，岳天宇，等增材制造技术在高温合金零部件成形中的应用 J精密成形工程，2021,13(1):44-50.江苏科技大学学报（自然科学版）Al(200)XZ-平面XY-平面(III)IV-()一(1)s)(IE)s304050600708090100A20/()图7AISi10Mg合金的XRD图谱Fig.7XRD pattern of AISi1oMg alloy2023年MIN Jie,WEN Dongxu,YUE Tianyu,et al.Applica-tion ofadditive manufacturing technology in forming ofsuperalloy component J.Journal of Netshape Form-(1E)V-ing Engineering,2021,13(1):44-50.(in Chinese)(00t)IV4FRAZIER W E.Metaladditive manufacturing:A re-view J.Journal of Materials Engineening Performarce,2014,23(6):1917-1928.5 MMURR L E.Metallurgy of additive manufacturing:Ex-amples from electron beam melting J.Additive Man-ufacturing,2015,5:40-53.6DAI N,ZHANGL C,ZHANG J,et al.Corrosion be-havior of selective laser melted Ti-6Al-4 V alloy inNaCl solutionJ.Corrosion Science,2016,102:484-489.7 LIU Z,QI H.Effects of substrate crystallographic ori-entations on crystal growth and microstructure formationin laser powder deposition of nickel-based superalloyJ.Acta Materialia,2015,87:248-258.8WYSOCKI B,MAJ P,KRAWCZYISKA A,et 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