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金屬3D打印氣孔缺陷頻發(fā)? 粉末特性與激光參數(shù)的關(guān)聯(lián)性研究

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金屬 3D 打印(尤其是SLM選區(qū)激光熔化技術(shù))因能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件,已成為航空航天、醫(yī)療植入等高端領(lǐng)域的核心技術(shù)。但氣孔缺陷始終是制約其質(zhì)量的 “頑疾”—— 零件內(nèi)部的微小氣孔會導(dǎo)致強度下降 30% 以上,甚至引發(fā)斷裂、滲漏等致命故障。事實上,80% 的氣孔缺陷都與粉末特性和激光參數(shù)的不匹配相關(guān)。本文將從原理到實操,拆解兩者的關(guān)聯(lián)性,為解決氣孔問題提供系統(tǒng)性方案。


一、金屬3D打印氣孔的 3 大類型與成因


金屬3D打印的氣孔缺陷并非隨機產(chǎn)生,而是粉末熔化過程中 “能量 - 材料 - 氣體” 相互作用的結(jié)果,主要分為三類:


?未熔合氣孔:粉末顆粒未被完全熔化,顆粒間殘留空隙,形成邊緣不規(guī)則的氣孔。這類氣孔多分布在層間或粉末堆積密集區(qū),在顯微鏡下呈 “多邊形”,是最常見的缺陷類型(約占氣孔總量的 60%)。


?氣體滯留氣孔:熔化池中溶解的氣體(如粉末吸附的水汽、保護氣體)未及時逸出,凝固后形成圓形小氣孔,直徑通常<50μm,常見于高熔點金屬(如鈦合金、鎳基高溫合金)打印中。


?飛濺誘導(dǎo)氣孔:激光功率過高導(dǎo)致粉末劇烈氣化,飛濺的液滴脫離熔池后留下空洞,這類氣孔周圍常伴隨 “飛濺痕跡”,多出現(xiàn)于激光掃描路徑的拐角處。


二、粉末特性:決定氣孔 “先天條件”


粉末是金屬 3D 打印的 “原料”,其粒度、形狀、流動性等特性直接影響激光熔化效果,是氣孔產(chǎn)生的 “先天因素”。


(一)粒度分布:影響熔化均勻性


?過粗的粉末(D50>50μm):激光能量難以穿透顆粒核心,易形成未熔合氣孔。例如不銹鋼粉末 D50=60μm 時,若激光功率不足,顆粒僅表面熔化,內(nèi)部殘留空隙,氣孔率可達 3%-5%。


?過細的粉末(D50<15μm):流動性差,易團聚形成 “粉末團”,激光照射時團塊內(nèi)部難以熔化,且細粉比表面積大,吸附的氣體更多,易產(chǎn)生氣體滯留氣孔。


?最佳范圍:多數(shù)金屬材料(如鈦合金、鋁合金)的理想粒度為 15-45μm(D50=30μm),此時粉末既能均勻鋪展,又能被激光充分熔化,氣孔率可控制在 0.5% 以下。


(二)粉末形狀與流動性:決定鋪粉質(zhì)量


?球形度低的粉末(如不規(guī)則棱角形):堆積密度低(<45%),顆粒間空隙大,激光熔化時難以填充,易形成未熔合氣孔。例如霧化工藝不完善的鈦合金粉末,球形度僅 0.7(理想值>0.85),打印后氣孔率比高球形度粉末高 2 倍。


?流動性差的粉末:鋪粉時易出現(xiàn) “空洞” 或 “堆積不均”,導(dǎo)致局部粉末過量或不足。用霍爾流速計測試,流動性<25s/50g 的粉末(如潮濕的鎳基粉末),鋪粉層厚度偏差可達 ±5μm,直接引發(fā)氣孔缺陷。


(三)粉末純度:氣體來源的關(guān)鍵


?含氧量過高(>0.15%):金屬粉末(如鈦、鋁)易氧化形成氧化膜,激光熔化時氧化膜難以分解,阻礙顆粒融合,形成 “氧化夾雜型氣孔”。例如 TC4 鈦合金粉末含氧量 0.2% 時,打印件氣孔率比 0.1% 的粉末高 40%。


?水分與揮發(fā)物:粉末吸潮(水分>0.05%)或含殘留有機物,激光加熱時會蒸發(fā)為氣體,若未及時逸出,就會形成圓形氣孔。存放超過 1 周的鋁合金粉末,需在 120℃真空烘干 4 小時,否則氣孔率會增加 1.5 倍。


三、激光參數(shù):調(diào)控熔池行為的 “后天因素”


激光參數(shù)直接決定熔池的溫度、流動性和氣體逸出效率,與粉末特性需形成 “匹配關(guān)系”—— 同一種粉末用不同激光參數(shù),氣孔率可能相差 10 倍。


(一)激光功率與掃描速度:能量密度的核心


能量密度(E = 功率 / 速度)是關(guān)鍵指標(biāo),過低或過高都會導(dǎo)致氣孔:


?能量密度不足(E<50J/mm2):熔池溫度低(<金屬熔點 + 200℃),粉末熔化不充分,形成未熔合氣孔。例如 316L 不銹鋼打印,E=40J/mm2 時,熔池僅能熔化表層粉末,內(nèi)部殘留大量空隙。


?能量密度過高(E>150J/mm2):熔池劇烈沸騰,金屬蒸氣飛濺,留下 “飛濺氣孔”,同時過高溫度會分解粉末中的氧化物,釋放氣體,增加氣孔風(fēng)險。


?匹配原則:根據(jù)粉末粒度調(diào)整能量密度 —— 粗粉(30-45μm)需更高 E(80-120J/mm2),細粉(15-30μm)用較低 E(60-100J/mm2)。例如 30μm 的 Inconel 718 粉末,E=90J/mm2 時氣孔率最低(0.3%)。


(二)掃描策略:影響氣體逸出路徑


?掃描間距過大(>激光光斑直徑的 80%):熔池重疊率低(<30%),相鄰熔道間形成 “溝槽”,易殘留未熔合氣孔。光斑直徑 0.1mm 時,掃描間距>0.08mm 會導(dǎo)致明顯的 “間隔型氣孔”。


?層間旋轉(zhuǎn)角度不當(dāng):未采用旋轉(zhuǎn)(0°)或旋轉(zhuǎn)角度過?。ǎ?0°),會導(dǎo)致層間應(yīng)力集中,同時氣體逸出路徑單一,易在固定位置聚集形成氣孔。采用 60° 或 90° 層間旋轉(zhuǎn),可使氣孔率降低 30%。


?邊緣掃描優(yōu)化:零件邊緣激光功率需降低 10%-15%,避免 “過熔飛濺”。例如打印鈦合金葉輪邊緣時,功率從 200W 降至 180W,邊緣氣孔可減少 60%。


(三)光斑模式與離焦量


?高斯光斑中心能量過高:中心易飛濺,邊緣能量不足,形成 “中心飛濺 + 邊緣未熔” 的雙重氣孔。采用 “平頂光斑” 可使能量分布更均勻,氣孔率降低 25%。


?離焦量偏差(±0.1mm):實際光斑直徑與設(shè)計值不符,導(dǎo)致能量密度波動。例如設(shè)計離焦量 0mm(光斑 0.1mm),實際 + 0.2mm(光斑 0.14mm),能量密度下降 40%,直接引發(fā)未熔合氣孔。


四、粉末與激光參數(shù)的關(guān)聯(lián)性:匹配邏輯與優(yōu)化步驟


粉末特性與激光參數(shù)并非孤立存在,而是通過 “熔池能量 - 粉末熔化 - 氣體逸出” 的鏈條相互影響,需按以下邏輯匹配:


(一)匹配公式:基于粉末粒度的能量密度計算


推薦公式:E(J/mm2)= k × D50(μm),其中 k 為材料系數(shù)(鈦合金 k=3,不銹鋼 k=2.5,鋁合金 k=2)。


例:D50=30μm 的 TC4 鈦合金粉末,E=3×30=90J/mm2,此時激光功率 200W 時,掃描速度 = 200/90≈2.2mm/s,可實現(xiàn)最佳熔化。


(二)分步優(yōu)化流程


1.粉末預(yù)處理:檢測粒度(D10/D50/D90)、球形度、含氧量,確保 D50=20-40μm、球形度>0.85、含氧量<0.15%,并真空烘干(120℃,4 小時)。


2.激光參數(shù)初設(shè):按匹配公式設(shè)置能量密度,掃描間距 = 光斑直徑 ×60%-70%,層間旋轉(zhuǎn) 60°。


3.試打印與檢測:打印 10mm×10mm×5mm 立方體,用 CT 掃描測氣孔率,若>1%,則:


?若以未熔合氣孔為主:增加功率 5%-10%,或降低掃描速度 10%(提高能量密度)。


?若以氣體滯留氣孔為主:減小掃描間距 5%(增加熔池重疊),或降低層厚 5μm(縮短氣體逸出路徑)。


?若以飛濺氣孔為主:降低功率 5%,或增加掃描速度 10%(降低能量密度)。


五、實戰(zhàn)案例:航空發(fā)動機葉片的氣孔控制


某企業(yè)用 SLM 技術(shù)打印 GH4169 鎳基合金葉片(尺寸 150mm×50mm×30mm),初期氣孔率高達 4.2%,無法滿足疲勞強度要求。通過優(yōu)化:


1.粉末調(diào)整:


?原粉末:D50=55μm,球形度 0.78,含氧量 0.18%


?優(yōu)化后:選用 D50=35μm,球形度 0.88,含氧量 0.12% 的霧化粉末,流動性從 32s/50g 提升至 22s/50g。


1.激光參數(shù)匹配:


?原參數(shù):功率 280W,速度 1000mm/s(E=280J/mm2),掃描間距 0.12mm


?優(yōu)化后:功率 250W,速度 800mm/s(E=312.5J/mm2),掃描間距 0.08mm(光斑 0.1mm,重疊率 20%),層間旋轉(zhuǎn) 60°。


1.效果:氣孔率降至 0.3%,疲勞強度從 350MPa 提升至 520MPa,滿足航空標(biāo)準。


六、避坑指南:減少氣孔的 6 個關(guān)鍵提醒


1.粉末儲存不當(dāng):暴露在濕度>40% 的環(huán)境中,需用密封罐 + 干燥劑存放,開封后 48 小時內(nèi)用完,否則需重新烘干。


2.忽視粉末回收次數(shù):回收超過 5 次的粉末,粒度分布會變寬(細粉增多),需篩分后與新粉按 3:7 混合使用。


3.激光頭污染:鏡片有油污或劃痕會導(dǎo)致能量衰減,每周需用無水乙醇清潔,確保透光率>95%。


4.保護氣體純度不足:氬氣純度<99.999% 時,熔池易吸入雜質(zhì)氣體,需定期檢測,純度不夠立即更換氣瓶。


5.掃描路徑未避開尖角:零件尖角處易過熱飛濺,需在切片軟件中設(shè)置 “圓角過渡”,或降低尖角區(qū)域功率 10%。


6.未做打印前預(yù)熱:粉末床預(yù)熱不足(<100℃)會導(dǎo)致熔池冷卻過快,氣體來不及逸出,建議預(yù)熱至 150-200℃(根據(jù)材料調(diào)整)。


金屬3D打印的氣孔缺陷,本質(zhì)是 “粉末特性決定熔化基礎(chǔ),激光參數(shù)決定熔池行為” 的協(xié)同結(jié)果。通過控制粉末粒度在 15-45μm、球形度>0.85,匹配對應(yīng)的能量密度(60-120J/mm2)和掃描策略,再配合嚴格的預(yù)處理與檢測,就能將氣孔率穩(wěn)定控制在 0.5% 以下。記?。簹饪卓刂茮]有 “萬能參數(shù)”,只有 “粉末與激光的精準匹配”—— 這正是金屬 3D 打印的技術(shù)核心所在。


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