在最先進的增材製造領域中，雷射粉末床熔融中適當工藝參數的選擇已經牢牢確立。 然而，掃描策略的優化將導致材料性能的改善。
來自奧地利萊奧本、奧地利因斯布魯克以及空客德國的科學家在《An improved process scan strategy to obtain high-performance fatigue properties for Scalmalloy》論文中研究了承受疲勞的高性能鋁合金（例如 Scalmalloy）的最佳掃描策略。 研究展示了如何減少雷射與獨特焊接羽流的不受控制的相互作用，這種焊接羽流是由高揮發性合金元素（例如鎂）產生的。 拉伸和疲勞測試用於評估樣本的結構完整性，其中使用了不同的焊接模式。 顯示了以下組合：掃描矢量角度限制； 減少掃描矢量長度； 和雷射光斑調整可減小整體缺陷尺寸並提高 Scalmalloy 的構建質量。 觀察到具有出色機械性能的雙峰微觀結構：達到 524 MPa 的極限抗拉強度和 17% 的斷裂伸長率。
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相關研究發表在Materials & Design，Volume 224, December 2022, 111410
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522010334?via%3Dihub
/ 研究背景
鋁 (Al) 合金的增材製造 (AM) 已被確定為生產輕型設計結構的有前途的方法。 假設增材製造構建質量非常好，偶爾出現的材料不均勻性對準靜態材料特性的影響似乎不是特別顯著，但對疲勞特性的影響是嚴重的，因為這些缺陷很容易成為裂紋萌生點。這導致使用 LPBF選區雷射熔融金屬3D列印生產的結構部件的可靠性和安全性存在相當大的不確定性。
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目前可以定義阻礙材料特性的各種不同材料不均勻性，例如氣體孔隙率（特別是鋁合金的 H 孔隙率）、小孔孔隙率（KH孔隙率）和未熔融孔隙率（LoF不規則形狀），這些缺陷的根本原因是多方面的。通過適當的粉末處理和準備，以及正確選擇工藝參數，可以顯著減少它們的形成。
/ 研究方法
缺陷的一個根本來源是高度動態的熔池導致的熔融異常。使用高能 X 射線成像對 LPBF 選區雷射熔融金屬3D列印過程的研究證實了控制熔池動力學以避免聚變過程異常和材料不均勻性的重要性。
為了減少這些異常，可以調整各種工藝參數。眾多加工參數的複雜相互作用和影響尚未完全了解。雷射-基板相互作用的基本原理可以概括為兩種主要的焊接模式：
熱傳導 (HC) 模式：熱傳導是主要的熱傳遞機制，金屬蒸發可忽略不計，熔池動力學降低，焊池幾何形狀可以用縱橫比（焊池深度/焊池寬度）≤ 0.5 來描述。
小孔/深穿透 (KH) 模式：基於增加的金屬蒸發和高度動態的熔池行為形成空腔。
圖 1. 工藝參數調整示意圖，奧地利萊奧本、奧地利因斯布魯克以及空客德國的科學家調整了工藝參數，專門用於 Scalmalloy的加工，以提高工藝穩定性。這些調整措施包括加寬雷射光斑直徑，從而影響焊接熔深和焊接模式反映的熔池動力學（橙色框）；通過掃描矢量角度限制（紅框）最大限度地減少雷射與焊接羽流之間的相互作用。
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多種工藝參數會影響熔池動力學，這些參數包括雷射功率、掃描速度、掃描距離、層厚、雷射束半徑、雷射強度分布、雷射掃描路徑、保護氣體流量和粉末粒度分布等等。
當 Scalmalloy 由 LPBF 選區雷射熔融金屬3D列印加工時，很容易出現工藝偏差。這是由於上述 LPBF 熔池動力學和揮發性合金元素的存在導致焊接副產品的形成，因此，Scalmalloy 是評估研究中討論的高級參數自適應的完美研究材料。
化學成分 Al-4.5 Mg-0.75Sc-0.35Zr-0.45Mn 包含大量 Mg，與 Al相比，Mg 具有較高的蒸氣壓。然而，由於這種合金具有高屈服強度、高伸長率 (A) 和高斷面收縮率 (Z)，因此引起了材料和工藝界的興趣。與其他鋁合金相比，Scalmalloy材料具有高固有疲勞強度的潛力，從而能夠實現疲勞載荷部件的輕量化設計和應用。然而，這種潛力尚未在 AM 中實現，因為產生大量不均勻材料的可能性仍然很高。
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奧地利萊奧本、奧地利因斯布魯克以及空客德國的科學家該研究的重點是實施和研究不同的策略，以儘量減少凝固缺陷的形成，以優化零件的性能。首先，推導出並實施了一種創新的掃描策略，通過減少雷射與工藝副產品的相互作用來提高工藝穩定性。其次，基於預研究中得出的優化主要工藝參數，優化了焊接模式和焊接熔深的平衡。這是通過觀察熔池幾何形狀和成品零件中的 Mg 損失來實現的。最後，討論了導致不同熔化模式和熔道幾何形狀的不同工藝參數集對機械零件性能和缺陷的影響，特別關注提高疲勞性能。