综述：同步X射线成像和衍射在增材制造中的应用 （二）

长三角G60激光联盟导读

本文为大家分享综述：同步X射线成像和衍射在增材制造中的应用。

1.1 力学性能

与铸造零件相比，增材制造零件的力学性能主要受零件内部显微组织、复杂生长方向和缺陷的影响。增材制造部件具有高抗拉强度、低塑性和与建造方向相关的强各向异性[56,57]。XCT还可用于表征加固件的拉伸断裂和内部孔隙，以便更好地了解缺陷特征与打印构件性能之间的关系。

在2016年SLM制造的Ti6Al4V的一项研究中，Krakhmalev等人[58]通过XCT发现平均孔隙度小于0.0022%(密度>99.9%)。结果表明，在典型的杯锥断口形貌的断口中，孔隙合并是主要的裂纹形成机制，表明XCT是研究缺陷对力学性能影响的有效方法。Carlton等人[59]使用同步辐射X射线成像对AM SS316L进行了原位拉伸试验，以追踪材料内部的损伤演化。在施加拉伸载荷的同时，测量了SS中微米尺度的3D孔隙体积、分布和形态，如图16所示。尽管高气孔度的样品通过退火得到了改善，但仍表现出较差的力学性能。他们还发现，孔隙度分布在影响断裂机制中起着比测量体积密度更重要的作用。

图16 高孔隙度SS316L试件的结果。a对高孔隙度AM SS试件在力学试验前(左)和突然失效前(右)的分段孔隙分布进行3D渲染；b拉伸加载过程中不同载荷和位移下的断层图像

Zekavat等人[60]利用XCT研究了制备温度对熔融沉积成型(FDM)聚乳酸(PLA)细丝零件力学性能的影响，他们发现在较低温度下制备的试样断裂应变较大，但其抗拉强度相对较低。但在较高温度范围内制备的试样，由于挤出纤维之间的结合较好，因而具有较高的抗拉强度。结果表明，不同的力学响应与试样的内部几何形状高度相关，而与孔隙度无关。证明CT作为FDM方法发展的无损工具显示出巨大的潜力。

类似地，Stef等人[61]提出了一种基于2D断裂和3D XCT分析的打印Ti6Al4V的检测方法。它们将空洞的3D空间分布、形态和方向与扫描策略模式相关联。他们的研究结果表明，孔隙主要集中在覆盖层区域，并支持激光光斑外围较低能量导致的能量不足是孔隙的主要形成机制。他们发现，拉伸性能和裂纹路径受空隙的3D分布影响，裂纹路径遵循空隙的排列方向，如图17所示，其中裂纹路径与构建方向平行。这进一步证实了Krakhmalev等人[58]的研究。

图17 a沿x轴断裂拉伸试样的XCT视图；b断裂试样顶部断裂面和底部3D空隙分布的双视图。c、d断裂面的两个切片和空隙在(XY)平面上的投影的两个不同视图

对于航空、航天、电力、能源等领域的AM零件，许多零件在使用过程中承受着不同程度的交变应力，从而导致疲劳失效。证实了气孔缺陷对AM零件使用过程中的疲劳性能有重要影响。Siddique等人[62]使用CT评估了孔隙度引起的应力集中对AlSi12样品疲劳分散性的影响。他们发现孔隙是裂纹萌生的潜在场所，而不含孔隙的样品只有表面裂纹萌生。当在表面附近发现孔隙时，孔隙在引发裂纹方面更为明显。

基于此，针对疲劳关键零部件提出了在SLM工艺中将轮廓的区域重熔设置为200μm的建议。他们还根据CT扫描的结果开发了一个描述应力集中因子(kt)作为孔隙特征(孔径和距离表面的距离)函数的模型。在Sandgren等人[63]的研究中，基于高能同步X射线成像技术，在原位观察到了激光近净成形(LENS)制备的Ti6Al4V的疲劳裂纹扩展(FCG)行为。如图 18所示，Ti6Al4V马氏体中裂纹主要沿拉伸轴面内生长，强调了局部3D观察和表征FCG的重要性。研究结果进一步证实，利用同步辐射X射线成像能够更真实地理解和表征LENS制备的Ti6Al4V中的FCG行为。

图18 3D显微断层扫描重建的快照：对应于七次断层扫描的a-g裂纹扩展；h不同位置的裂纹高度

Larrosa等人[64]利用相关的XCT和其他传统表征方法(光学显微镜、电子背散射衍射、SEM和TEM)分析了AM生成取向对SLM制备AlSi10Mg试样孔隙度及其相关力学行为的影响。他们发现，疲劳寿命主要由垂直于加载方向的薄饼状缺陷的存在所支配，而构建横向于最高疲劳载荷的试样可能有助于增强疲劳性能。本研究在一定程度上揭示了SLM零件中缺陷对实验疲劳行为的作用。

Wu等人[65]在自行研制的与上海同步辐射装置( SSRF ) BL13W1完全兼容的原位疲劳试验台的基础上，采用Feret直径和极值统计量表征了缺陷的尺寸、形貌、数量、位置及其对疲劳寿命的影响(图19)。结果表明，疲劳裂纹多起源于试样表面或近表面，呈现典型的半椭圆形裂纹，未熔合缺陷对疲劳寿命的影响相对较大。与Sandgren等人[63]对Ti6Al4V疲劳行为的研究相比，他们更全面地探讨了裂纹的类型和生长特征。此外，小于50μm和球度为0.4~0.65的缺陷是SLM Ti6Al4V疲劳行为的主要因素。还发现缺陷的特征尺寸越大，疲劳寿命越低。在同步辐射X射线成像光束线的原位疲劳试验中得到的上述结论可为预测SLM Ti6Al4V的疲劳性能提供理论依据和支持。

图19 裂纹的3D重建结果和原位疲劳试样的断裂形貌。a断裂示意图的3D XCT；b 1850次循环后缺陷和裂纹扩展的3D渲染；c试样在最大应力1175MPa时的疲劳断裂形貌；d 3D绘图结果沿主应力方向投影，黄色代表裂纹，蓝色代表缺陷，红色代表裂纹表面缺陷

总之，XCT与原位加载相结合，提供了气孔缺陷的 综合特征(体积、大小、分布、形貌、拓扑等)及其对增材制造零件力学性能的影响，以及潜在的影响机制。这些研究有助于我们更好地理解加工参数、孔隙缺陷与力学性能之间的关系。

2. 通过Synchrotron X-射线成像在线表征AM

众所周知，AM部件的传统表征通常通过事后检测法进行。然而，这种非原位检测方法会阻碍我们研究AM过程中样品中的显微组织变化和缺陷形成机理。近年来， 原位表征技术中的同步辐射X射线被证明是跟踪AM过程中缺陷形成或裂纹演变的最有效方法之一。具有强穿透力、高时空分辨率和高通量的第三代同步辐射光源可以对零件进行快速成像(毫秒至微秒)。它对于研究熔池尺寸和形状的演变、缺陷形成机制和非平衡凝固行为具有天然的优势。

AM零件是通过逐层重复加工的方式生产的。当激光照射在粉末上时，必然会与粉末颗粒、熔池和金属蒸气发生相互作用。这一过程涉及多种传热方式，以及熔池内部的流体力学行为。一些学者通过同步辐射X射线成像更好地观察了熔池的动力学行为，并对粉末的固结机理进行了探索。Leung等人[68]利用高速同步辐射X射线成像技术揭示了SLM过程中第一层和第二层熔体轨迹沉积过程中的物理现象。

他们发现，熔池的形成机制主要有两种：一种是新形成的熔池通过与熔珠润湿促进熔池生长，因为激光束在加热熔池的同时降低了其表面张力；另一种是激光诱导的气体或蒸汽射流将粉末颗粒拉入熔体轨迹，导致熔体轨迹增长(图 20)。前者是主要机制。此外，孔隙和飞溅运动的时间分辨定量也提供了关于其速度和方向的关键信息，这是超快同步辐射X射线成像的独特优势。这是揭示孔隙形成原因和探索激光与物质相互作用的重要步骤。后来，Chen等人[69]通过超快同步X射线成像进一步捕捉了五层熔体轨迹中每个熔体轨迹的形态演变，金属蒸气射流从剥蚀区垂直喷射液滴和粉末飞溅，并在沉积层中形成小孔。多层结构中的匙孔相关现象在所有层中都是相似的。作者的研究结果阐明了熔池生长的机理，为后续与建模相结合以提高LPBF零件的质量奠定了基础。

图20 Invar 36单层熔体轨迹增材制造期间在P=209W、V=13mms-1和LED=16.1 Jmm-1条件下获得的时间序列射线照片

Gong等人[70-72]根据激光能量密度的不同，总结了三种熔池形成模式。一种是能量密度较低时形成的未熔合模式，第二种是能量密度适中时的传导模式，第三种是能量密度超过一定临界值时的匙孔模式。在实际生产过程中，小孔模式更有效地将激光能量转移到粉末层，但如果工艺参数控制不当，成形件的质量会因为气孔过多而下降，从而降低其力学性能。因此，有效地控制匙孔模式下气孔的产生及形成机理尤为重要。

Zhao等人[73]首次基于高速同步辐射X射线成像在原位监测Ti6Al4V的LPBF过程，如图21所示。它们不仅展示了许多具有科学和技术意义的现象，包括熔池动力学、粉末喷射、快速凝固和相变，而且揭示了Ti6Al4V中匙孔形成的全过程。结果表明，小孔的闭合时间小于50μs。详细阐述了小孔形成的原因：激光能量的吸收导致周围金属强烈蒸发，金属蒸气快速运动产生反冲压力梯度，使熔体喷射。激光器关闭时，局部负压环境使液态金属向熔池中心流动。

由于空洞深度较大，顶部液态金属保持较高的水平流动性，而底部水平移动过慢，导致匙孔形成。在先前研究的基础上，Cunningham等人[74]还于2019年确定了从传导模式到匙孔模式的阈值，最终推导出匙孔的四个转变步骤：汽化、液面凹陷、不稳定，再到深匙孔的形成。随后他们对小孔进行了观察，发现气孔区域边界尖锐光滑，临界小孔失稳在熔池中产生声波，为小孔尖端附近的气孔远离其提供了额外的重要驱动力，成为缺陷。此外，还讨论了小孔深度、前壁角度与激光功率密度的关系。

图21 Ti6Al4V激光粉末床熔合过程的动态X射线图像。激光功率为520W。激光束尺寸约为220µm(1/e2)。粉末粒径在5-45µm范围内，粉末层厚度约为100µm。数字表示时间节点。激光在t=0时开启，并继续加热样品直到t=1000µs。原始数据是以50kHz的帧速率获取的。每幅图像的曝光时间为350ns。所有比例尺均为200µm

后来，Guo等人[76]还指出，在恒定线能量密度(IDE)下，熔化区可以从非熔池区依次转变为导电区、过渡区和小孔区。熔池的三维尺寸有所增加。重要的是，作者发现在恒定的IDE水平下，当激光功率和激光扫描速度同时增加时，能量吸收趋于增加，这是导致熔池变化的重要因素。

同样，Martin等人[77,78]通过高速透射X射线成像观察了Al6061和Ti6Al4V在LPBF过程中的蒸气抑制和表面不稳定性，描述了激光在蒸气凹陷中的反射和烧蚀材料对不稳定性的影响，以及表面驱动和小孔驱动的形成机理。这为他们后来的多物理仿真研究铺平了道路。为了消除小孔，作者认为在小孔形成阈值处改变激光功率可以减少小孔的形成。之后他们设计了功率分配策略，成功地消除了熔池轨道形成时的小孔。Hojjatzadeh等人[79]还发现，激光作用区的高温度梯度产生的高温毛细力可以在LPBF过程中快速消除熔池中的气孔，从而实现无气孔金属的增材制造。

除了由于反冲压力在熔池底部形成的小孔外，其他位置的气孔也不容忽视。Bobel等人[80]利用超快同步辐射X射线成像技术直接观测了AISI 4140激光粉末床的熔合过程。他们认为堆积层中的孔隙主要来自原始粉末中的滞留气体，与工艺参数的设定无关(图22)。通过对粉末定向能量沉积过程的研究，Wolff等人[81]发现单个颗粒的流动速度和分布导致粉末熔化、熔池合并和凝固的不同机制，以及不同的孔隙形成和运动。

图22 4140底板中熔池、匙孔和孔隙的X射线图像。a填满；b高能(HE)；匙孔

在激光加工和制造过程中，飞溅现象将不可避免地发生。这种飞溅是指熔融材料从熔池中喷出并沉积在熔池附近的区域，不仅影响AM零件的表面粗糙度，还会降低其质量。为了减少粉末床的飞溅现象，一些学者做了很多努力。Khairallah等人[82]试图解释引起飞溅的原因。他们认为与反冲力的压缩作用相反的表面张力造成了凹陷和材料飞溅。

为了更好的解释飞溅形成的机理，Leung等人[83]于2018年基于超快同步辐射X射线成像研究了SS316L和13-93生物活性玻璃在AM过程中的激光-物质相互作用。他们发现，液滴飞溅往往是由于AM过程中Marangoni驱动的流动而形成的，增加了孔隙的传输，这进一步证实了Khairallah等人[82]所揭示的结果。此外，他们还声称，SS316L等低黏度熔体更容易飞溅并渗入熔池，形成熔融轨迹。另一方面，高粘度的熔体会通过抑制Marangoni的驱动而阻碍飞溅的形成。

与上述作者发现的飞溅原因不同，Guo等人[84]发现激光束周围的粉末飞溅是由蒸汽射流驱动的。如果激光束后方区域的粒子被氩气流包裹，激光束前方的粒子也会受到氩气流的影响(图23 )。同样，Matthews等人[85]利用高速成像研究了激光扫描路径附近观察到的金属粉末的剥蚀情况。他们发现，在靠近固化轨迹的区域中观察到的金属粉末粒子的耗尽是由于远离激光点的外向金属蒸汽通量与在熔体轨道上的金属蒸汽射流驱动的剪切气流中的粉末粒子卷吸之间的竞争。

这是预测和减少AM金属构件空洞缺陷的重要步骤。Anwar通过原位高速高能X射线成像观察了LPBF过程中粉末飞溅的瞬态动力学，量化了金属蒸汽注入和氩气流动诱导粉末运动的速度、加速度和驱动力。

他们发现，溅射粒子主要沿扫描方向观察，正交分布较小。随着气体流速的增大，输送较重、较大的飞溅增多，导致气体流向下游分布更加均匀。这为他们利用离散相模型(DPM)研究飞溅粒子的运动轨迹奠定了良好的基础。随后，Zhao等人[88]利用MHz单脉冲同步辐射X射线成像研究了Ti6Al4V的微米空间分辨率和亚纳秒时间分辨率的溅射行为。最后，他们的研究揭示了一种新的激光溅射机制：前匙孔壁上舌状突起的大量爆炸导致匙孔边缘熔融金属韧带化并随后发生溅射。他们的研究为通过精确控制匙孔动力学制造飞溅和无缺陷的金属零件打开了一扇大门。

图23 动态X射线图像显示粉末在不同时刻和不同环境压力下的运动

其他学者对熔池形成的其他方面的研究也做出了贡献。Escano等人[89]报道了基于粉末床的增材制造过程中颗粒尺度上的粉末扩散动力学，并量化了粉末前沿的斜率速度、斜率粗糙度和凝聚动力学的演化过程。揭示了粉末粒度对粉末流动动力学的影响。这一结果对于深入理解粉末床在AM过程中的粉末扩散行为非常重要。Parab等人[90]使用6.5 MHz的最快X射线成像速度，首次量化了高速旋转粉末颗粒的蒸汽抑制和快速振荡。

这有助于验证数值模型，确定加工条件，研究功能梯度和多材料产品的制备。Calta等人[91]利用原位X射线成像技术直接检测了LPBF条件下SS316L、Ti6Al4V、Al6061和Ni400激光熔化过程中液气界面形态随环境压力和氧分压的变化。发现与温度和成分有关的液态金属表面张力的变化影响了LPBF部分缺陷的形成和最终形态。最近，Chen等人[92]在研究用于制造SS316L的定向能量沉积添加剂时，将粉末的送粉速度、激光功率和横向速度等制造质量和加工参数进行了关联，并确定了抑制导致粗糙度的表面扰动所需的工艺条件。

随着基于高能同步辐射X射线源的晶体成像和3D有限元模拟技术的联合应用，以及基于AM技术的高通量材料制备技术的发展，全周期原位观察和定量表征增材制造材料成为可能。同步X射线成像将在工艺参数优化和缺陷容限评价方面发挥重要作用，促进我们对AM的更深入认识。

3. 通过X射线衍射测量AM零件的残余应力

3.1 残余应力的来源和类型

SLM成形过程中，在高斯激光能量分布热流的照射下，发生一系列复杂的非平衡物理化学冶金过程，从而产生复杂的热相变场。Mercelis等人[93]于2006年提出了临界温度梯度机制(TGM)和冷却阶段模型，从宏观上解释了零件残余应力的来源[94]。在TGM模型中，激光器开启后，受热金属颗粒迅速熔化，凝固相趋于膨胀。如图24所示，随着激光束的移动，前一区域开始冷却收缩，在此区域产生残余拉应力。随着零件逐层制造，压应力与拉应力不断平衡[95]。

残余应力可分为晶粒尺度、微米尺度和纳米尺度三种类型。用现代测量方法很难计算纳米尺度上的残余应力。检测到的大部分残余应力都是在晶粒尺度上，其宏观特征会影响零件的物理性能。

图24 残余应力形成模型：a加热阶段；b冷却阶段

3.2 通过X射线衍射测量AM中的残余应力

残余应力的测量越来越受到研究者的重视。XRD已被广泛认为是一种有效的残余应力测量方法。Simson等人[96]于2017年用XRD研究了AISI 316L增材制造零件的残余应力，并测试了不同深度和两个外表面的残余应力。他们发现，在零件顶面，沿扫描方向的残余应力高于垂直方向的残余应力。相反，在侧表面，最大主应力与扫描方向垂直，与构建方向平行。这与残余应力产生的两种机制，即TGM和冷却阶段相一致。

此外，研究结果还表明，应力值与结构密度、未熔合和部分熔合粉末颗粒的粘附性有关。后来，Marola等人[97]利用XRD研究了LPBF AlSi10Mg样品表面和内部的Al应力水平。可以得出，垂直于构建方向的应力水平较高，这是由于沿建筑方向Al晶界数量较少所致。这一结果与Simson研究的应力最大值位置不同[96]。此外，还发现随着切片深度的增加，应力值略有下降。他们的工作为AlSi10Mg的LPBF试样中所发生的应力提供了一个明确的区别，为后续的应力研究做出了一定的贡献。

增材制造零件的残余应力受多种工艺参数的影响，如扫描策略、扫描速度、保温时间等。采用X射线衍射(XRD)技术，利用Promoppatum等人[98]测量了Ti6Al4V在不同工艺参数下的残余应变。他们发现，当立方体试样的扫描长度分别为5和1 mm时，残余应力从185 MPa降低到90 MPa。

结果表明，采用较短的扫描矢量可以提高表面温度，减小凝固前沿的温度梯度，从而减小残余应力。这可能会减少后处理的需要，并减少生产过程中零件失效的机会。此外，Levkulich等人[99]对LPBF制造的Ti6Al4V样品表面进行了XRD测试。他们观察到LPBF工艺参数(扫描速度、激光功率、构建高度、构建平面面积、基板条件)对基体中残余应力和变形的发展有很大影响(图25)。通过提高激光功率、降低扫描速度、减小成形计划面积，可以降低LPBF试样顶面的残余应力。此外，他们的研究结果为今后残余应力和畸变演化的建模和模拟提供了有价值的基础。

大量的分析表明，温度随时间的变化对残余应力有非常重要的影响。同步X射线衍射(SXRD)是一种能够实时监测零件热工作状态的检测方法。近年来，利用SXRD探究AM过程中热变化引起的残余应力并不少见。Oliveira等人[100]利用SXRD测量了激光加工NiTi薄板热影响区的局部转变温度，如图26所示。观察到相变温度梯度与Ni的耗尽和残余应力引起的局部化学成分变化有关。新的结果对AM部件中观察到的显微组织及其与相变特性的关系提供了更基本的认识。Schmeiser等人[101]研究了SLM IN625多层薄壁件制造过程中的应变和应力形成。他们发现，温度与屈服强度的相关性导致了从IN625试样顶层300 μm处产生最大应力。该研究表明高能SXRD在原位SLM研究中的潜力。

目前，对增材制造零件的残余应力的研究正处于快速发展阶段，应力场不仅受显微组织的影响，还受宏观参数的影响。以上结果证明XRD能较好地测量AM过程中的残余应力。今后可采用多种测量方法，全面了解增材制造零件残余应力状态，结合定量理论模型，有效改善应力分布和零件质量。

图25 对具有不同构建高度的沉积物的顶面进行XRD和钻孔主应力测量

图26 a原位XRD实验中探测区域的示意图；b室温X射线衍射图；c热影响区在150℃时的衍射图

4. 总结与未来展望

本文就同步辐射X射线成像和衍射在AM伪影中的应用研究进行了总结。既然科技问题都影响AM产品的质量和成本，包括典型材料缺陷(如Ti6Al4V和AlSi10Mg)、表面粗糙度、残余应力等[102,103]。利用同步辐射X射线表征方法，不仅可以对几何形状复杂的零件进行高精度分析，而且可以通过快速扫描或成像检测出主要缺陷信息。更好地理解了缺陷的形成机理以及缺陷对机械性能的影响，从而提高了质量和更好地开发后处理技术。

尽管同步辐射X射线已被广泛应用于检测AM的显微组织、缺陷形成及其演化过程，为深入了解AM打开了大门，但仍需进一步发展以拓宽X射线在AM过程中的应用。未来的发展方向如下。在线监测仍然是一个挑战，影响零件质量的重要因素，如温度场、速度场、冷却速度、凝固参数等，必须与实时模型相结合，减少缺陷，提高质量。此外，结合超快同步X射线成像、高速光照相和红外测温仪，有望对多层结构的真实激光打印过程进行在线检测，以揭示AM过程中的显微组织、流体对流和温度场。同时，利用同步辐射X射线成像或衍射结果对AM的计算数值模型进行验证和修正，从而准确模拟AM过程中熔池中的非平衡现象具有重要意义。

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文章来源：An, N., Shuai, S., Hu, T. et al. Application of Synchrotron X-Ray Imaging and Diffraction in Additive Manufacturing: A Review. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.) 35, 25–48 (2022). https://doi.org/10.1007/s40195-021-01326-x

长三角G60激光联盟陈长军转载