由于增材制造（AM）技術(shù)提供了出色的設(shè)計(jì)自由度，因此可以基于預(yù)定義的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型，輕松地逐層制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件。各種增材制造技術(shù)已被開發(fā)并被廣泛采用，用于設(shè)計(jì)和制造關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用的高性能組件，包括航空航天、醫(yī)療和汽車領(lǐng)域。金屬、陶瓷、聚合物和生物工程組織等材料可以通過特定的增材制造技術(shù)進(jìn)行加工。特別是，在過去的幾十年中，由于金屬增材制造技術(shù)具有無(wú)與倫比的生產(chǎn)難以制造的金屬部件的能力，因此在過去幾十年中，由于與鑄造，加工和成型等傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展做出了重大努力。目前，流行的金屬AM技術(shù)是粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）。

在金屬增材制造工藝中，金屬和合金通常以粉末或金屬絲的形式制備，作為原料，通過使用激光或電子束熔化，然后固化成最終形狀。簡(jiǎn)而言之，PBF工藝通常涉及連續(xù)的粉末床的選擇性熔化或燒結(jié)。有兩種主要的PBF技術(shù)，即激光粉末床聚變（LPBF）和電子束熔化（EBM），其中能量源分別是激光束和電子束。根據(jù)粉末的熔化條件，LPBF可進(jìn)一步分為選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）。顧名思義，這些PBF工藝具有粉末床作為材料支撐，因此它們能夠在不傾斜或旋轉(zhuǎn)底板的情況下制造懸垂結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的幾何形狀。另一方面，DED技術(shù)直接將原料沉積到能源產(chǎn)生的熔池中。粉末或電線可以用作原料，激光，電子束甚至電弧是當(dāng)前選擇的能量源。通常，配備粉末進(jìn)料裝置和激光器的DED工藝稱為激光增材制造（LAM）或激光工程網(wǎng)成型（LENS）。送絲DED方法包括線弧增材制造（WAAM），線材和激光增材制造（WLAM）以及線和電子束增材制造（WEBAM）工藝。由于原料的沉積在固化的前一層之外沒有材料支撐，DED通常不能制造高度復(fù)雜的部件。

金屬增材制造部件的性能高度依賴于其表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)特征。影響表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的主要因素包括材料特性、設(shè)計(jì)相關(guān)因素、工藝參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置。不適當(dāng)?shù)墓に嚺渲每赡軙?huì)在最終的AMEd組件中引入缺陷，例如孔隙和裂縫。根據(jù)目前關(guān)于金屬AM的文獻(xiàn)，在AMMed金屬部件和結(jié)構(gòu)中鑒定出尺寸范圍從毫米到納米的多尺度缺陷。多尺度缺陷分為三大類，即幾何形狀相關(guān)缺陷、表面完整性相關(guān)缺陷和微觀結(jié)構(gòu)缺陷。特別是，我們首先將紋理柱狀晶粒，成分缺陷和位錯(cuò)細(xì)胞分類為微觀結(jié)構(gòu)缺陷，因?yàn)樗鼈冊(cè)贏MEd組分中的普遍性及其對(duì)AMEd組分的性質(zhì)和性能有顯著影響。

為了獲得滿意和合格的力學(xué)性能，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)和模擬，全面了解各種缺陷的形成機(jī)理、其對(duì)力學(xué)性能的影響以及相應(yīng)的控制和緩解方法等三個(gè)重要問題。最近，有一些關(guān)于金屬AM工藝和由此產(chǎn)生的缺陷的最新綜述工作，然而，大多數(shù)相關(guān)的工作在上述AM缺陷的三個(gè)問題方面存在缺陷。這些綜述工作的缺點(diǎn)包括對(duì)各種缺陷的分類不完整，對(duì)缺陷形成缺乏透徹的了解，缺乏對(duì)缺陷或其控制方法的影響的討論，以及僅限于某種材料或AM技術(shù)。

在本文綜述中，粉末基增材制造技術(shù)是重點(diǎn)，特別強(qiáng)調(diào)了LPBF工藝。香港理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、香港中文大學(xué)等人提出了粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類，澄清了各種缺陷形成的潛在機(jī)制。討論了關(guān)鍵因素在原材料、幾何設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)或/和系統(tǒng)設(shè)置方面的影響。總結(jié)了AM缺陷的破壞性和非破壞性檢測(cè)方法。為了預(yù)測(cè)和進(jìn)一步了解缺陷的形成，簡(jiǎn)要介紹了多尺度AM缺陷建模的當(dāng)前進(jìn)展?？偨Y(jié)并討論了每種缺陷對(duì)AMEd組件的拉伸性能和疲勞性能的影響。從材料，幾何控制，工藝參數(shù)的原位操作，后處理或合金設(shè)計(jì)和混合AM技術(shù)等方面闡明了每種缺陷的控制和緩解方法。討論了最近關(guān)于多尺度缺陷的研究差距，并提供了基于所描述的多尺度缺陷的三個(gè)方面的未來(lái)前景。以題“Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys”發(fā)表在Journal of Materials Science&Technology上。

簡(jiǎn)言之，幾何相關(guān)缺陷主要包括宏觀殘余應(yīng)力引起的零件變形和分層，而表面完整性相關(guān)缺陷則由樓梯體效應(yīng)、部分熔化粉末、球化效應(yīng)和表面開裂而形成。對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)缺陷，第一種形式是內(nèi)部開裂，其分為與形成液膜相關(guān)的熱裂紋和固態(tài)開裂，以及材料脆性和殘余應(yīng)力。第二個(gè)是內(nèi)孔，包括LoF孔隙，冶金孔隙，鎖孔孔隙和收縮孔，通常由不適當(dāng)或不穩(wěn)定的熔化引起的收縮孔。另一種是由外延生長(zhǎng)和晶粒競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)的耦合效應(yīng)形成的紋理柱狀晶粒。最后，組成缺陷包括氧化，合金元素的損失和微分離，并且在AM加工過程中通過熱膨脹和收縮形成位錯(cuò)電池。

圖 1.粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的分類。

圖 2.（a–c） 與幾何形狀有關(guān)的典型缺陷，包括變形和分層;（d） 由微型LPBF和常規(guī)LPBF制造的懸臂變形（e） 殘余應(yīng)力與SLMed Ti6Al4V掃描長(zhǎng)度的函數(shù)（f） 印刷零件的幾何誤差與特征厚度的函數(shù)。

圖3.LPBFed中的階梯效應(yīng)（a）基于表面的晶格和（b）基于支柱的晶格;（c）LPBFed SS316L的（c）頂部表面和（d）側(cè)表面的質(zhì)量（e） LPBF中的單軌形態(tài)作為掃描速度的函數(shù);（f） 金屬AM期間飛濺的液滴示意圖;表面裂紋（g）和晶體結(jié)構(gòu)（h）在SLMed CM247LC高溫合金的邊界。

缺陷的存在通常不利于AMEd部件的機(jī)械性能。宏觀殘余應(yīng)力、表面缺陷以及內(nèi)孔和裂紋會(huì)降低材料的強(qiáng)度和延展性。疲勞性能也可能受到影響，因?yàn)檫@些缺陷可能會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的生長(zhǎng)并降低疲勞壽命。紋理柱狀晶?？蓪?dǎo)致機(jī)械性能的深刻各向異性，包括屈服強(qiáng)度和延展性，疲勞壽命和疲勞裂紋生長(zhǎng)速率。特別是，微隔離的缺陷可能因原材料而異。一方面，微分離可能導(dǎo)致脆性相，例如鎳基高溫合金和Ti中的Laves相。2NiTi合金中的Ni相，導(dǎo)致不良性能。另一方面，在一些AMED FCC材料中，微分離和位錯(cuò)細(xì)胞具有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以高度增強(qiáng)材料并提高延展性。

圖 4.典型的熱裂紋：（a，b）凝固裂紋顯示不規(guī)則的樹枝狀形態(tài)（c，d）無(wú)樹突特征的液化裂紋;（e，f）凝固裂紋和（g，h）液化裂紋區(qū)域的形貌和誤定位圖;（i-k）LPBFed AA7075合金的單軌，顯示出不同的熔池形狀和熱裂紋敏感性

圖 5.（a–c）LPBFed CM247LC合金中的固態(tài)裂紋顯示出直而尖銳的扭結(jié);DED Inconel 738合金中DDC型固態(tài)裂紋的形貌：（d，e）三重結(jié)點(diǎn)處的DDC和（f）液化裂紋末端的DDC

圖 6.典型的內(nèi)孔：（a）LoF孔隙和冶金孔隙;（b） 鎖孔孔和（c）收縮孔;（d）粉末吹制DED工藝中孔隙形成機(jī)理的示意圖

在了解其對(duì)缺陷形成的影響的基礎(chǔ)上，提出了各種控制方法。對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了密集的優(yōu)化，以獲得無(wú)裂紋和無(wú)孔的AMEd部件。后處理包括熱處理或/和HIP，以消除殘余應(yīng)力并愈合內(nèi)部孔隙和裂縫。然而，這兩種方法在減輕紋理柱狀晶粒等缺陷方面的能力有限。熱處理后處理甚至不可避免地會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變粗。還介紹了其他一些新穎的控制方法。添加適當(dāng)?shù)募{米顆粒可以改善晶粒結(jié)構(gòu)并減少微裂紋和微分離。通過將其他加工技術(shù)與AM（主要是DED）相結(jié)合的混合方法也可用于減少殘余應(yīng)力，晶粒細(xì)化和微分離緩解。

圖 7.在樮樮36的LAM期間，從（a）原始粉末和（b）氧化原料粉末進(jìn)行原位觀察熔化特征;（c） SLMed Ti6Al4V中的孔隙率與能量密度的函數(shù)（d，e）SLM過程中激光功率掃描速度的典型工藝窗口

圖 8.典型的柱狀顆粒，沿BD具有<100>紋理（a）LBPFed SS316L（b） 鉻鎳鐵合金718 和（c）AlSi10Mg （d） 熔池形狀示意圖和由此產(chǎn)生的晶粒生長(zhǎng)方向;（e）凝固微觀結(jié)構(gòu)示意圖，作為溫帶梯度和生長(zhǎng)速率的函數(shù)

圖 9.工藝參數(shù)對(duì)以下合金晶體結(jié)構(gòu)的影響：（a）LPBFed鉻鎳鐵合金在激光功率和掃描速度的不同組合下;（b） LPBFed鉻鎳鐵合金718合金在不同掃描策略下

總體而言，本文全面了解了多尺度缺陷及其對(duì)AMEd組件機(jī)械性能的影響，以及有效的控制方法。討論了當(dāng)前的研究差距和未來(lái)前景。因此，本綜述論文為優(yōu)化增材制造工藝，制造無(wú)缺陷零件和結(jié)構(gòu)以及定制所需的機(jī)械性能和維修性能提供了一些適當(dāng)?shù)闹改稀?/span>

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