现如今，随着金属增材制造技术的进步，将有望彻底改变部分零件的生产方式。与传统制造工艺相比，金属增材制造减少了材料浪费和劳动时间，并且简化了创建复杂几何零件的步骤。

然而，在金属增材制造过程中会出现数百个非常小的缺陷，通常大小为~10-50微米。由于这些细微缺陷的存在，对产品结构性能构成了挑战。

■图片来源：CC0 Public Domain

目前，关于这些缺陷对工程制造的具体影响尚不明确；但是在认证和标准极高的领域中，由于缺乏处理数据和标准协议制定，很难将这些存有细微缺陷的零件归类为良品还是废品。

近期，位于美国马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员，正着手更好地了解不同缺陷对增材制造材料机械性能的影响。在最近发表的《材料加工技术》杂志上，研究团队以《揭示缺陷形态和微观结构对通过激光粉末床熔融制造Ti-6Al-4V拉伸行为的耦合影响》为题，文中提供的数据帮助业界理解缺陷的影响。

目前，制造金属增材制造部件的一种方法是通过选择性激光熔化（选区激光熔化，selective laser melting），这是一种使用激光能量熔化金属粉末的过程。“激光粉末床熔融是一种占主导地位的增材制造技术，但尚未发挥出其全部潜力，”本文通讯作者、约翰霍普金斯应用物理实验室研究与探索发展部机械工程师Steven Storck表示，“问题是在3D打印过程中有时会形成非常微小的气泡或气孔，这些缺陷会导致成品强度降低以及其他一些不确定性。”

经过研究发现，加工缺陷主要有两种自然形态：未熔融和锁孔。前者发生在没有足够能量完全熔化金属粉末时；后者是当过高的能量密度在熔融粉末床中形成流体动力学不稳定性时，就会生成小孔缺陷。随着能量密度偏离最佳水平时，缺陷的数量和大小都会增加。

■通过选择性激光熔化的方式在工件表面刻上“APL”标志（图片来源：Johns Hopkins APL/Ed Whitman）

Steven Storck与研究与探索发展部的合著者Timothy Montalbano、Salahudin Nimer、Christopher Peitsch、Joe Sopcisak和Doug Trigg以及来自海军空战中心飞机分部的 Brandi Briggs和Jay Waterman，在研究过程中特意将这两类缺陷引入样品，以确定它们如何影响零件的机械性能。

结果表明，每种类型的缺陷如果有大量出现时都不容忽视。但与缺少熔融相比，零件出现的锁孔区域似乎不那么紧要。研究团队还发现，锁孔缺陷周围的微观结构细化可以抵消缺陷的弱化效应。即使在高达4-5%孔隙率的锁孔区域部分，也能达到与孔隙率可忽略不计的零件相同的屈服强度，这是许多机械工程师用来设计零件的指标。

“我们修改了激光加工条件以模拟过程中的自然故障，并在锁孔区域和未熔融区域产生了三个相似数量的缺陷，”Steven Storck解释说，“然后使用X射线计算机断层扫描和量化每个工件材料，以绘制缺陷尺寸和具体位置。最后，在单向拉伸测试中比较包含这些缺陷的样品，确定给定数量缺陷的首选缺陷区域。”

这项研究成果是约翰霍普金斯应用物理实验室为未来认证金属增材制造零件迈出的重要一步。当前，研究团队正在使用这一发现与机器人学习相结合来，重新构建用激光熔化处理金属材料的工艺。

“这项工作是未来对AM部件进行认证奠定基础的关键一步，”其中的一位研究者Morgan Trexler表示，“对加工条件产生的微观结构和性能影响的理解，将为制定增材制造零件的标准提供了科学基础。”