增材制造（AM）能够生产结构复杂、个性化高的轻量化零件，同时减少加工步骤并简化繁杂的工艺流程，目前被广泛应用于航空航天、医疗、汽车和核电等领域。
在过去几十年内，金属 AM 技术得到了极大的提升，激光粉末床熔融(LPBF)技术便是其中之一。LPBF成形过程中，在激光的作用下，金属粉末以极高的速度熔化和凝固，最终形成所需的金属零件。因熔池温度和物相发生了剧烈变化，零件内部极易产生缺陷，进而影响零件的表面形貌、尺寸精度、组织成分及其性能。因此，研究LPBF技术的缺陷特征及其他影响因素，对其应用的拓展具有重要意义。本文讨论并总结了LPBF过程中常见的缺陷，阐述了缺陷特征、形成机理以及对应的调控方式，分类探讨了成形工艺调控方式和复合制造调控方式对缺陷的影响规律。LPBF成形零件的缺陷主要包括影响致密度的未熔合、微孔以及因残余应力引起的裂纹和翘曲变形等。未熔合、微孔、裂纹会在零件中形成应力集中，降低产品力学性能；翘曲变形会影响产品的尺寸精度，严重的成形缺陷甚至会导致零件打印的失败。了解成形缺陷的特征、形成机理是研究缺陷调控方式的重要前提。未熔合缺陷是指扫描过程中能量密度不足、熔池不稳定或者搭接率不足导致的层内或层间未完全熔合的孔隙。LPBF打印过程中欠熔合、球化和飞溅都会导致未熔合缺陷，如图1 （a）-（c）所示。
该缺陷主要表现为层内或层间未完全熔合的孔隙，该孔隙内一般会存在未熔化粉末或者飞溅颗粒。未熔合缺陷会导致零件致密度降低、层间层内的冶金结合减弱，进而影响零件的机械性能。微孔是指零件内部存在的气体孔隙。这些气体包括粉末中夹杂的气体、成形腔中的保护气、金属粉末升华或者金属液气化形成的金属气。如图1 （d）所示，微孔一般可以分为气孔和锁孔两种，前者一般为规则圆孔，后者形状不规则、体积更大且存在于熔池底部。
图1 未熔合缺陷。（a）欠熔合；（b）飞溅颗粒；（c）球化；（d）孔隙LPBF加工过程中，熔池会发生快速的熔化和凝固，该过程中温度梯度巨大，会在固化的金属层内留下较大的残余应力。残余应力的形成在零件成形过程中不可避免，当残余应力高于抗拉强度时，材料会在应力集中处产生裂纹。如图2（a）所示，裂纹具有方向性且存在尖锐的边界，往往会成为零件的薄弱环节，大大降低零件的强度。当零件内的残余应力低于抗拉强度但高于屈服强度时，翘曲变形便成为零件另一种释放残余应力的方式，如图2（b）所示。翘曲变形是一种常见但危害很大的缺陷，当其发生在打印过程中时，一方面会导致打印面不平整，翘曲突出部位会因无法铺上粉末而被重熔，翘曲进一步加剧；另一方面，翘曲突出部位会损坏刮刀，导致无法正常铺粉，带来更多的缺陷。
图2 残余应力引起的缺陷。（a）裂纹；（b）翘曲变形对不同的缺陷应采用不同的缺陷抑制策略，团队把调控方式归为加工环境、粉末床、激光参数、加工参数、扫描策略五类，如图3所示。
一般而言，LPBF 加工会在一个密闭腔体中进行，腔体充满氩气或其他保护气以此来控制环境中的含氧量、气压、气流，从而实现对缺陷的调控。由于温度变化剧烈，熔池中的元素极易被氧化，进而影响零件的元素成分。此外，金属氧化物会降低熔池的润湿性，从而引发球化现象。加工过程气流的循环，能够带走加工过程中产生的飞溅颗粒，但会影响熔池的稳定性。为了防止熔化的金属元素与氧气反应，金属3D打印过程往往需要在昂贵的氩气保护环境下进行。华南理工大学杨永强团队研究发现，氮气和氩气氛围下SLM打印AlSi10Mg样品的微观组织和力学性能没有明显的差异，氮气保护不会对铝合金材料成形产生不利影响。Zhou等人发现气流与光斑运动方向相同会使熔池轨迹不稳定，并提出了环向向下输送气体的环形流动系统，以减小气流对熔体轨道流动稳定性的影响。粉末床是 LPBF加工的重要部分，它起着粉末储存和运输的作用。使用柔性刮刀能够减少铺粉过程中飞溅颗粒、球化等因素对刮刀和粉末床平整性的影响，从而有效提高铺粉的稳定性。
此外，华南理工大学杨永强团队研究发现预热基板能够降低高温熔池与凝固区域之间的温度梯度，在熔池周围形成较为均匀的温度场，降低散热速率，从而降低成型件的残余应力，从而起到抑制裂纹的作用。激光是 LPBF加工的能量源。对激光离焦量、光斑大小、光强分布进行适当调整，不仅能提高熔池的稳定性，还能改善熔池形貌以及零件的微观组织。
目前，LPBF技术还存在部分红外激光高反材料难以加工的问题，改变激光波长可以改变材料对激光能量吸收率。Hori等人使用波长450 nm的蓝光激光器成功打印出了高密度纯铜零件。加工参数的调整是 LPBF缺陷调控中最灵活的方式，它通过改变激光能量密度、热分布、熔道搭接率以及层间结合来影响零件内部质量。此外加工参数对飞溅的影响也非常显著。
华南理工大学杨永强团队研究发现，在过高或过低的扫描速度下，加工过程中都会产生较多飞溅颗粒。过低的扫描速度会导致激光能量密度过高，此时飞溅主要呈现为与扫描方向垂直的剧烈喷射；过高的扫描速度会导致熔池长度增加，此时液滴更容易从熔池尾部逃逸从而形成液滴飞溅。在实际生产中，LPBF加工效率也是研究人员重点关注的对象之一，而加工参数是加工效率的最直接影响因素。改变扫描策略不仅能够通过改变加工过程中的层间熔道重叠率和应力分布以抑制缺陷的产生，还能有效抑制缺陷的延续甚至能够消除已产生的缺陷。
华南理工大学杨永强团队研究发现，随着扫描路径的增长,残余应力会逐渐增加，因此采用分区策略和调整分区扫描顺序可以减少残余应力的累积，降低翘曲变形和开裂风险。同时，团队研究发现重熔可以减少孔隙，提高零件致密度的同时降低表面粗糙度。随着技术进步，新型复合制造调控方式也引起了研究人员的关注。在加工过程中，复合减材、超声波、磁场可以通过调控加工过程中的热场分布及成形件的组织结构来抑制缺陷的产生，如图4所示。
图4 复合制造调控方式。（a）增减材复合制造方式；（b）超声/磁场辅助制造方式
增减材复合加工不仅具备了增材制造的灵活性，还具备了铣削加工消除内部缺陷、提高零件质量的能力。目前，增减材复合加工的研究重点在残余应力控制和高效复合提高表面质量。磁场辅助 LPBF成形具有均匀组织、细化晶粒、抑制偏析和减少孔隙的作用。Du等人发现静态磁场辅助LPBF加工的零件中的柱状晶粒数量明显降低。华南理工大学增材制造团队针对磁场和超声波对LPBF成形质量的影响研究，开展了一些探索性工作,研究结果表明超声波和磁场可以提升成形质量。其中，磁场辅助可改善熔池热熔质对流情况及飞溅情况；超声辅助LPBF 成形在细化晶粒、减小残余应力、改善零件各向异性和提高零件性能上具有积极作用。目前超声在 LPBF 工艺应用较少，还有待进一步研究。致密度和残余应力会影响LPBF成形质量。影响致密度的缺陷有未熔合和微孔，其中未熔合现象常常伴有夹杂和粘粉现象，微孔主要包括形状规则的小圆形气孔和由高深宽比熔池塌陷形成的锁孔。过大的残余应力会导致宏观翘曲变形和裂纹。
对不同的缺陷应采用不同的缺陷抑制策略，常规采用的工艺参数调控方式有调控加工环境、粉末床、激光束、加工参数、扫描策略等，可形成不同材料的成形工艺窗口。工艺过程中，通过复合减材、超声波、磁场等方式可调控加工过程中热场分布及其组织性能结构。然而复合调控方式具有一定的复杂性，需要考虑复合调控方式对 LPBF工艺带来的各种影响，比如加工时间、设备成本、维护成本等。华南理工大学增材制造实验室杨永强教授团队自2004年开始研发激光选区熔化金属3D打印设备，成功研制出国内第一台激光选区熔化快速成型机，在个性化医疗器械、模具、航空航天零部件等多领域得到广泛应用。团队历年来主持和承担国家级、国际合作、省市级科研项目60多项，并出版《制造改变设计》、《面向增材制造的创新设计》、《激光选区熔化技术》、《金属增材制造技术》、《广东省增材制造3D打印产业技术路线》等著作，发表论文290余篇，申请专利370余项，其中授权专利260余项。目前研究主要集中在激光选区熔化大尺寸、高精度、多材料、多能场与高可靠性方向。
宋长辉，华南理工大学副研究员，博士导师，机械电子工程系副主任，广东省特支计划青年拔尖人才。主要从事增材制造（3D打印）激光选区熔化技术的基础与应用、激光选区熔化增材制造医学创新应用、智能4D打印、陶瓷打印等方面的研究，探索以数字医学影像为源，个性化设计与增材制造协同驱动医疗器械的产品优化设计。在Materials Science & Engineering A、Materials and Design、Journal of Alloys and Compounds、Rapid Prototyping Journal等国际核心刊物发表SCI/EI论文70余篇；已获授权发明专利28件。
编辑 | 沈灵灵
1. 专题 | 《中国激光》出版“激光增材制造”专题
报道激光物理、技术及应用最新进展
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