江蘇鐳射聯盟導讀：華中科技大學的研究人員王澤敏等人採用多光束鐳射進行了SLM製造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15)的研究，發現定向的氣孔由於鐳射的切換而在搭接區存在；同步的掃描策略導致了緻密度的退化；多光束鐳射SLM造成幾乎完全的馬氏體α' 結構。隨著鐳射數量的增加造成馬氏體α' 粗化和硬度的降低。
成果簡介
基於粉末床的多光束鐳射列印由於該技術可以直接製造複雜的結構和大尺寸的部件而吸引了廣泛的關注。在本工作中，採用這一技術製造了Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15) 部件，此時的多光束是順序和同步的掃描策略。缺陷的形成機理和多光束（最多為4個）對密度，顯微組織和顯微硬度的影響進行了澄清。研究發現，緻密度隨著光束的數量增加而劣化。鐳射的切換誘導產生的氣孔在順序掃描策略的過程中佔據主導地位，這導致在掃描搭接區產生直接的氣孔分佈。同步掃描策略時具有類似的現象發生。而且，同步掃描的鐳射相互作用會導致熔池模型的潛在過渡和反衝汽壓的增加，這會顯著的惡化材料的緻密度。多光束SLM製造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件由幾乎為完全的馬氏體α'所組成。多光束SLM製造誘導的低角度晶界向高角度晶界過渡，其原因是熱積累效應所造成。因此，在採用更多的光束進行加工時會造成針狀馬氏體α'的緩慢的粗化。這導致單個，雙和四光束SLM製造的樣品硬度從大約為423Hv到大約388Hv變化。多光束SLM的顯微組織-效能同Hall-Petch關係式也是吻合的。
圖1 成果的Graphical abstract
成果背景
鈦合金由於具有諸如高強度，耐腐蝕和低密度等優點而廣泛的應用在航空航天和汽車工業中。作為航空航天工業中的重要的結構材料，近α鈦合金 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V （ 在中國指 TA15 ) 被用來製造飛機艙壁，壁板和機匣等執行溫度較高和複雜的結構場合。早期的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V合金的研究主要聚焦在變形行為，熱處理和焊接上。然而，航空航天器件向著高效能，輕質和過載的方向發展，從而對傳統的製造複雜結構的製造工藝提出了更高的要求。
圖2 多光束SLM製造: (a)示意圖; (b) 改變X/Y光柵的掃描策略;(c) 單光束,雙光束和四光束SLM製造在平臺的位置
在這一背景下，研究人員引入增材製造技術來製造具有複雜結構的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金。由於飛機艙壁，壁板和機匣向著大尺寸的方向發展，當前的增材製造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的主要研究集中在鐳射直接沉積上（LMD）。無論如何，LMD的缺點存在精度低和設計自由度比SLM 差的特點，限制了製造複雜結構的製造。粉末床鐳射成形（SLM）被認為是另外一種以鐳射為基礎的AM技術。該技術吸引了大量的注意，這是因為該技術具有製造幾乎完全緻密的，高精度的和複雜形狀的金屬部件。然而，傳統的SLM技術由於製造氣氛室尺寸的限制和製造效率低等原因而不適合製造大尺寸的部件。一些研究工作表明幾乎為全緻密的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件可以採用LMD和SLＭ進行製造。結果表明兩者製造出來的緻密度幾乎沒有區別。這兩種技術的差別在於製造效率，尺寸精度和顯微組織形態上。
圖3 多光束應用在搭接區時的示意圖:a) 順序鐳射掃描策略; (b)同步鐳射掃描策略
同傳統的LMD和SLM製造技術相比較，多光束SLM製造技術綜合了高精度和高效率的優點，特別適合製造大尺寸的和複雜結構形狀的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件。然而，迄今為止，只有少量的工作是關於多光束SLM製造的。Tsai 等人使用一個衍射光學元器件在單鐳射系統中構建了一個多光斑的系統。這一多光斑掃描的速度同傳統的單鐳射掃描系統相比較，提高了 38%的效率。Roehling等人則發展了一個多鐳射系統，整合了光纖鐳射和四個半導體鐳射來原位控制SLＭ製造過程中的殘餘應力。Heeling和 Wegener則使用一個雙光束系統來製造完全緻密的316 L不鏽鋼樣品。一個鐳射束用來熔化粉末，另外一個鐳射束用來加熱熔池附近的材料，進行預熱或者後熱該區域。
圖4 順序鐳射掃描和同步鐳射掃描得到的緻密度的對比
儘管多光束技術同單光束技術相比較在本質上具有一定的優勢，但依然存在諸多問題沒有解決。多光束搭接區經常都至少有幾個毫米的寬度以確保連線的質量是可靠的。由於多個鐳射束進行掃描的時候依然需要搭接區的存在，就需要對緻密度，顯微組織和部件的效能均勻性在單鐳射SLM製造和多鐳射SLＭ製造的時候進行同單鐳射要一樣。Andani等人的研究顯示在雙光束SLM製造時存在更多的飛濺和更大的反衝汽壓.他們發現未熔化的區域是兩個鐳射工作靠的非常近的時候對樣品的機械效能有影響.Li等人發現臺階效應影響著多光束製造Ti6Al4V合金時的搭接區的表面形貌.然而,在搭接區的緻密度沒有被提及.使用同一裝置,Zhang等人制備出幾乎為完全緻密的AlSi10Mg合金.他們發現搭接區的緻密度和晶粒尺寸比採用單鐳射束進行掃描的時候要稍微小一些.如同Wei等人所研究的,匙孔效應造成的缺陷會在搭接區由於多光束相互干涉而形成.當多光束鐳射掃描接近時,其缺陷會由於鐳射羽毛效應的作用而得到加強.
圖5 典型的缺陷位置:(a)示意搭接線,氣孔的位置沿著 (b) XY 平面在雙鐳射束時的搭接區; (c)在XY平面四鐳射束的搭接區位置; (d) 在XY平面中四鐳射束SLM的邊緣; (e)XZ平面內四鐳射束的搭接區
此外,掃描策略在應用到搭接區的時候需要提供更多的注意力,這是因為要避免多光束所帶來的不利影響.在早期的多光束LSM製造裝置中,多光束的掃描策略大多采用平行的方式,這意味著鐳射束在搭接區是獨立工作的.在雙鐳射束掃描實驗中,兩個鐳射束中一個小的偏移量,張等人研究發現在兩個掃描的熔池之間出現週期性的粗化.後來,Heeling和 Wegener 等人提出了一個空間同步的多光束掃描策略.該技術可以允許多光束形成工作組而熔化粉末,因此造成了比較高的材料緻密度.多光束掃描策略造成的高的溫度梯度意味著搭接區的缺陷,顯微組織和機械效能會發生潛在的改變.
.圖６ 熱的飛濺噴射行為隨著時間和光束數量變化的情況：單鐳射束條件下(a1-a4)為時間序列的快照；(b1-b4) 為雙鐳射束空間同步的軌跡．在雙鐳射加工過程中，雙鐳射束在空間碰撞來模擬鐳射相互作用的瞬時效應
在華中科技大學的這項研究中,採用一個四鐳射束SLM製造技術來製造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V部件.在兩種不同的掃描策略下搭接區的緻密度的惡化進行了研究以深入瞭解多光束對缺陷生成的影響.對缺陷生成的機理進行了澄清.此外,採用單鐳射束,雙鐳射束和四鐳射束製造的樣品在缺陷的特徵,顯微組織和顯微硬度上的差別進行了研究.
圖７ 多光束SLＭ製造時誘導的缺陷形成機制的示意圖：(a)順序掃描策略：鐳射束切換誘導高能輸入和促進氣孔沿著搭接線和邊緣進行；匙孔. (b) 同步掃描策略：鐳射相互作用導致潛在的匙孔模型參考和高的反衝氣壓
圖８ (a) 單鐳射束；(b)雙鐳射束和 (c) 四鐳射束製造的樣品的反極圖
圖９：不同數量的鐳射束作用下得到的樣品的晶粒尺寸
圖１０：(a-c) 單鐳射束；(d-f)雙鐳射束和 (h-j) 四鐳射束製造的樣品在不同的放大倍數下的金相照片
研究成果的主要結論：
在當前的研究工作中，四鐳射束SLＭ增材製造系統用來在兩種不同的掃描策略下進行製造Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 部件．透過研究樣品的缺陷，顯微組織和顯微硬度的特徵，其缺陷生成機制和顯微組織的演化進行了澄清，主要結論如下：
(1)當在多光束SLM製造系統中增加更多的鐳射束的時候，樣品的緻密度會在順序掃描和同步掃描的策略下出現緻密度劣化，順序掃描策略比同步掃描策略更能提高緻密度．順序掃描和同步掃描策略中的常見缺陷為定向的氣孔沿著多光束搭接的區域發生；這是光束切換時產生的．在同步掃描策略條件下獨特的缺陷特徵時多光束鐳射相互作用造成的．
(2)鐳射的相互作用增加了體積能量密度，當採用同步掃描策略的時候,導致過渡參考向匙孔模型轉變.高速影像結果證明鐳射的相互作用誘導了一個高的反衝氣壓和創造出大的且更加不穩定的金屬蒸汽在熔池周圍形成,這對缺陷的形成負主要責任.鐳射的相互作用對缺陷的生成比鐳射切換更加明顯.結果,同步掃描策略會顯著的損害多光束LSM製造時的部件的緻密度.
(3)所有的多光束SLM製造的樣品均由幾乎為完全的針狀馬氏體α'組織.多光束鐳射工藝取決於熱積累效應.小角度晶界向大角度晶界的過渡和慢的晶粒粗化發生在增加鐳射束數量的時候.多光束的SLM製造的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金的顯微硬度在 (388–423 Hv)的範圍,並且簡單的遵從Hall-Petch關係式.在所有的樣品中,四光束SLM工藝製造的樣品具有最低的顯微硬度,這是因為晶粒粗化造成的.
圖11 同步掃描策略條件下SLM進行製造的樣品的情形
文章來源：Multi-laser powder bed fusion of Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V alloy powder: Defect formation mechanism and microstructural evolution,Powder Technology,Volume 384, May 2021, Pages 100-111.https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.02.010
參考資料:Effect of laser-plume interaction on part quality in multi-scanner Laser Powder Bed Fusion,Additive Manufacturing,Volume 38, February 2021, 101810,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101810