导读：

金属增材制造(AM)有望彻底改变我们生产和使用某些零件的方式。与传统制造方法相比，它优势明显。如减少了材料浪费，节省了劳动时间，简化了复杂几何零件的制造工序。但是它并非完美，也存在一些缺陷。正视缺陷，不断优化，才能进一步提升其结构性能！

制造过程中可能会出现众多小缺陷或者误差(小到10-50微米)，对产品结构性能的稳定性和持续性形成了挑战。但大家对这些缺陷的影响还比较陌生。也尚未重视。此外，在认证和标准占主导的领域，由于缺乏处理数据和标准协议，很难对他们进行准确归类。

▲约翰·霍普金斯应用物理实验室 （Johns Hopkins Applied Physics Laboratory —APL) 来源：官网

马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory—APL)的研究人员着手更好地了解不同缺陷对AM材料机械性能的影响。最近发表在《Journal of Materials Processing Technology》上的“揭示缺陷形态和微观结构对通过激光粉末床熔化制造的Ti-6Al-4V合金的拉伸行为的耦合影响”（文章Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion）中，提供了相应数据来帮助我们理解这些缺陷的影响并助力我们进行决策。

目前，制造AM的方法之一是选择性激光熔化，这是一种利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AM制造技术，但由于存在小缺陷，其潜力有待进一步挖掘，”该文作者、APL研究和探索发展部(REDD)的机械工程师Steven Storck说，“问题在于打印过程中有时会形成微小的气泡或孔隙，这些孔隙会给制造出来的成品带来某区域强度的不确定性，也会影响其性能。” 所谓的缺陷就是指未熔合和匙孔。前者发生在没有足够的能量完全熔化金属粉末床时；后者则是由于过高的能量在熔融粉末床中形成流体动力不稳定性时。当能量密度偏离最佳水平，缺陷就会变多、变大。

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等人以及来自海军空战中心飞机分部的Brandi Briggs和Jay Waterman在研究时曾有意将这两种缺陷引入样本，以确定它们对零件机械性能的具体影响。

结果表明，虽然每种类型的缺陷多次出现会带来不利影响，但在匙孔中(在相似的缺陷密度下)比在缺乏熔融的影响要小。该团队还发现，匙孔缺陷周围的微结构细化可以抵消缺陷的弱化效应。即使是在高达4-5%的孔隙率的区域，也能产生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目标指标。

▲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）

Storck解释说：“我们修改了激光加工条件，以模拟加工过程中的自然缺陷，并在锁孔和缺乏熔融的地方模拟了三个相似数量的缺陷，然后我们使用X射线计算机断层扫描技术对每个加工条件下的材料进行扫描和量化，以了解缺陷尺寸和绘制缺陷分布图，并在单向拉伸测试中对包含这些缺陷的样品进行比较，以确定给定缺陷数量的首选缺陷域。”

这项研究是APL与美国海军航空系统司令部正在进行的研究中的一部分，旨在了解AM制造缺陷的影响。Storck说:“我们目前的研究正在利用这一发现，结合机器学习，重写我们用激光熔化处理材料的方法。

管理REDD极端和多功能材料科学项目的Morgan Trexler补充道：“这项工作为将来认证AM零件奠定了基础。就加工条件对材料和部件的最终微观结构和性能的影响形成正确认知，能够为安全实施增材制造零件协议提供科学依据。”

来源：Timothy Montalbano et al, Uncovering the coupled impact of defect morphology and microstructure on the tensile behavior of Ti-6Al-4V fabricated via laser powder bed fusion, Journal of Materials Processing Technology (2021). DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117113