Что вызывает пористость при лазерной наплавке?
Пористость при лазерной наплавке порошком может быть вызвана газом в порошке или расплавленной ванне, либо нестабильным понижением паровой концентрации. Неправильные пустоты на границах дорожек, слоев или подложки могут указывать на неполное слияние — не на газовые поры, а на неполное соединение. Классифицируйте дефект по его морфологии и местоположению, прежде чем изменять параметры процесса.
Наличие темных пятен на полированном поперечном сечении облицовки недостаточно для диагностики причины. Небольшая округлая пора внутри осадка и нерегулярная, локально плоская пустота на границе раздела могут быть неформально описаны как «пористость», но они указывают на разные условия процесса. Первый вопрос заключается в том, является ли это газонаполненная пора или свидетельство неполного сплавления. Рассмотрение этих двух явлений как одного и того же дефекта может привести к корректирующим изменениям, которые не устранят первопричину.
Данное руководство посвящено лазерной наплавке порошком и коаксиальному лазерному осаждению направленной энергии (L-DED). Обсуждаемые механизмы актуальны для этих процессов с подачей порошка, но их относительная важность зависит от сплава, способа получения порошка, системы подачи, геометрии сопла, параметров лазера и геометрии компонента. Полученные результаты не следует автоматически переносить на лазерное спекание порошкового слоя или осаждение с помощью проволоки.
Какие типы пористости встречаются при лазерной наплавке?
При исследовании пористости следует различать газовые поры, поры, образующие сквозные отверстия, и пустоты, напоминающие дефекты непроплавления. Газовые поры и поры, образующие сквозные отверстия, связаны с газом, захваченным в затвердевающем материале. Непроплавление отличается: это неполное плавление или образование связей между осажденными дорожками, слоями или подложкой, и может проявляться в виде нерегулярной или плоской пустоты в поперечном сечении. Эти закономерности являются полезными диагностическими признаками, но не доказательством механизма дефекта.
Газовые поры
Газовые поры обычно имеют округлую или эллиптическую форму и могут образовываться внутри осажденного слоя, не следуя границам трека. Они формируются, когда пузырьки остаются в расплавленной ванне до затвердевания металла. Возможными источниками являются газ, захваченный внутри частиц исходного материала, газ, связанный с подачей порошка, газ, выделяющийся в результате специфических реакций материала, или пустоты, образовавшиеся при повторном расплавлении более раннего слоя. Течение расплавленной ванны и продвижение фронта затвердевания определяют, будут ли пузырьки двигаться, сливаться, выходить наружу или застревать. Чжан и его коллеги непосредственно наблюдали несколько из этих явлений в ходе исследования DED методом рентгеновской дифракции in situ, проведенного в 2024 году.
Дефекты, связанные с отсутствием сращения.
Дефекты, связанные с несплавлением, обычно имеют неправильную, вытянутую или локально плоскую форму. Они часто обнаруживаются между соседними дорожками или слоями, а также на границе раздела между оболочкой и подложкой. Они указывают на то, что материалы не расплавились и не слились в достаточной степени по границе; это не газовые поры, даже если на полированном поперечном сечении видны признаки пустот. Низкий эффективный подвод тепла, чрезмерная скорость перемещения, неподходящая скорость подачи порошка, плохое перекрытие дорожек или неправильное положение фокуса могут способствовать этому. Поверхностные оксиды или загрязнения также могут препятствовать смачиванию и склеиванию, в зависимости от типа материала.
В ходе исследования плакированных слоев из стали 316L, имеющего отношение к ремонту, были обнаружены небольшие округлые поры, образованные захваченным газом, внутри осажденного материала, а также более крупные, нерегулярные дефекты, связанные с несплавлением, на границе плакированного и основного материалов. Этот пример показывает, почему важны как морфология, так и местоположение. Полученные результаты применимы к конкретным материалам 316L и системам осаждения, изученным в данном исследовании, и не должны рассматриваться как универсальное правило (Revilla & De Graeve, 2022).
Поры, похожие на замочную скважину
Пористая структура, напоминающая замочную скважину, может образовываться, когда высокая локальная плотность энергии создает глубокое паровое углубление в расплавленной ванне. Если углубление становится нестабильным и разрушается до затвердевания, может образоваться пустота. Рассматривайте этот механизм только в том случае, если условия процесса способствуют образованию паровых углублений; сама по себе круглая пора не доказывает происхождение в виде замочной скважины. Порошковая подача DED также отличается от лазерного спекания порошкового слоя тем, что подача порошка, затухание лазера и геометрия сопла влияют на условия в расплавленной ванне.
В обзоре 2024 года, посвященном коаксиальному порошковому L-DED, рассматриваются газовые поры и дефекты, связанные с несплавлением, как отдельные категории дефектов. В нем определены потенциальные источники газа, такие как газ, содержащийся в порошке, и пары металла, а также описаны признаки несплавления в местах перекрытия дорожек, на границах слоев и в зоне сцепления покрытия с подложкой (Mo et al., 2024).
Что вызывает образование газовых пор при лазерной наплавке?
Газ, запертый внутри металлического порошка
Некоторые порошковые материалы содержат внутренние газонаполненные поры, образовавшиеся в процессе производства. В порошках, полученных методом газовой атомизации, частица может содержать небольшую внутреннюю пору, невидимую с внешней поверхности. При плавлении частицы газ может проникать в расплавленную ванну. Если пузырек не выйдет до затвердевания окружающего металла, он может остаться в осажденном слое. Таким образом, визуально здоровая поверхность порошка не исключает наличия внутренней пористости.
Чжан и др. (2024) использовали рентгеновскую визуализацию in situ и моделирование для отслеживания газовых пузырьков во время DED. Их наблюдения показали, что пузырьки переносятся из распыленного газом порошка в расплавленную ванну; некоторые выходят наружу, некоторые сливаются, а другие захватываются фронтом затвердевания. При появлении дефекта после смены порошковой смеси следует учитывать историю порошка и характеристики исходного сырья, а не предполагать, что изменение настроек лазера решит проблему.
Газ, переносимый в расплавленную ванну потоком порошка, попадает в неё.
В коаксиальных системах подачи порошка несущий газ транспортирует частицы через подающую линию и сопло. Газ является частью процесса подачи порошка, поэтому его наличие само по себе не следует рассматривать как причину пористости. Стабильность потока, скорость частиц, сходимость потока порошка, выравнивание сопла и расстояние от него до сопла могут влиять на то, как частицы попадают в расплавленную ванну и взаимодействуют с ней. Проверьте наличие аномального потока, утечек, ограничений или смещения потока вдоль линии подачи газа.
Это не означает, что защитный газ автоматически является причиной образования всех пор. Газ-носитель и защитный газ выполняют разные функции, и в машине могут быть отдельные пути потока. Для более подробного объяснения см. руководство под названиемКакой газ используется при лазерной наплавке?
Выделение газа из материала или из ранее образовавшихся отложений.
Подложка и ранее нанесенные дорожки могут уже содержать небольшие поры или другие разрывы. Когда последующий проход повторно расплавляет этот материал, некоторые существующие пустоты могут открыться в новую расплавленную ванну и быть перенесены или перераспределены. Специфические для материала реакции также могут выделять газ. Влага является одним из возможных факторов в некоторых порошковых и сплавных системах; в обзорах лазерного осаждения металлов обсуждается сушка порошка там, где это актуально (Cheng et al., 2022). Не следует предполагать, что влага является причиной образования каждого сплава или каждой поры.
Пузырьки воздуха, застрявшие до затвердевания расплавленной массы.
Пузырек не поднимается автоматически из расплавленного потока. Его движение зависит от размера, плавучести, конвекции в расплавленной ванне, вязкости и времени, оставшегося до затвердевания. Рентгеновское исследование 2024 года показало, что пузырьки движутся вместе с потоком расплава, сливаются, выходят наружу или захватываются наступающим фронтом затвердевания. Именно поэтому «замедление охлаждения» не является универсальным решением: поле потока, размер пузырька и геометрия расплавленной ванны также имеют значение.
Может ли мощность лазера вызвать пористость при лазерной наплавке?
Да, но взаимосвязь не сводится к простому «больше мощности означает меньше пор» или «меньше мощности означает меньше пор». Результат зависит от того, сколько энергии достигает расплавленной ванны относительно скорости подачи порошка, скорости перемещения, размера пятна и реакции материала.
Если эффективная энергия подвода слишком низка, порошок может не расплавиться полностью, и расплавленная ванна может недостаточно расплавить предыдущий слой или подложку. Эти условия способствуют образованию дефектов, связанных с неполным сплавлением. С другой стороны, чрезмерная локальная плотность энергии может привести к образованию паров металла и нестабильному понижению концентрации пара в некоторых технологических окнах, создавая другой путь к образованию пор. Таким образом, изменение мощности лазера может уменьшить один механизм образования дефектов, одновременно увеличивая другой.
В исследовании 2023 года, посвященном лазерной DED-обработке AlSi10Mg синим лазером, использовались высокоскоростная визуализация и рентгеновская компьютерная томография для различения дефектов, связанных с неполностью сплавления, сферических газовых пор и более крупных пор неправильной формы. Авторы сопоставили типы дефектов с условиями обработки для конкретного материала и установки. Это подтверждает необходимость диагностики дефекта перед корректировкой параметров; это не является универсальным рецептом параметров для других лазеров, сплавов или наплавочных головок (Wang et al., 2023).
При исследовании пористости следует учитывать мощность лазера, а также скорость сканирования, скорость подачи порошка, размер пятна, расстояние от образца до подложки, перекрытие дорожек и состояние подложки. Используйте записанный набор параметров в качестве базового и систематически изменяйте переменные. Не увеличивайте мощность лазера только потому, что в поперечном сечении присутствуют поры.
Как определить источник пористости?
Начните с выявленных признаков, а затем двигайтесь в обратном направлении. Приведенная ниже таблица представляет собой руководство по скринингу: она помогает расставить приоритеты при проверке, но одной лишь морфологии недостаточно для доказательства происхождения поры или пустоты.
| Замеченная подсказка | Возможная интерпретация | Что проверить дальше |
| Небольшие округлые поры внутри осажденного слоя | Газ, запертый в расплавленной ванне или пористость, связанная с сырьем. | Состояние порошковой партии и частиц, обращение с порошком, данные из разных мест и стабильность процесса. |
| Неправильные или вытянутые пустотообразные образования на границах треков или слоев. | Возможное отсутствие слияния (неполное соединение, не обязательно наличие газовой поры). | Фокусировка лазера, скорость перемещения, скорость подачи порошка, перекрытие дорожек, глубина переплавления и состояние поверхности. |
| Пустоподобные образования сконцентрированы на границе раздела покрытия и подложки. | Возможное отсутствие сплавления, неполное соединение или загрязнение границы раздела. | Подготовка подложки, параметры первого слоя, состояние оксида и металлография границы раздела фаз. |
| Поры появляются после смены порошковой партии. | Возможные изменения, связанные с сырьем | Сравните сертификаты на порошок, гранулометрический состав, историю обращения/хранения и репрезентативные образцы порошка. |
| Размер пор зависит от настроек процесса или положения. | Возможна нестабильность расплавленной ванны или подачи порошка. | Проанализируйте журналы работы оборудования, состояние форсунок, выравнивание порошкового потока и повторяемость результатов испытаний. |
Для надежной диагностики подготовьте поперечные сечения из нескольких мест и, по возможности, в нескольких ориентациях. Запишите размер, форму, долю площади и положение дефекта относительно границ дорожки и подложки. Одно сечение может пропустить дефекты или создать впечатление, что трехмерная пустота слишком мала. При устранении неполадок в производстве сначала подтвердите дефект и классифицируйте его; сравните поврежденные и неповрежденные образцы; проверьте партию порошка, историю хранения, подающее устройство и сопло; просмотрите журнал процесса; затем проведите контролируемые испытания, изменяя по одной переменной за раз, где это возможно. Повторно проверьте тем же методом и запишите результат.
Металлография или рентгеновская компьютерная томография: какой метод исследования следует использовать?
Металлография — это практичный первый шаг для исследования локальной морфологии пор, перекрытия дорожек и межфазных связей. Это разрушающий метод, который позволяет исследовать только подготовленный участок, поэтому расположение среза и качество его подготовки имеют значение. Рентгеновская компьютерная томография позволяет выявить трехмерное распределение внутренних пор без разрезания всего образца, но достижимое разрешение зависит от размера компонента, поглощения материала, оборудования и мельчайшего дефекта, который необходимо обнаружить. КТ не является автоматически необходимой для каждой детали, предназначенной для производства; выбор метода контроля должен соответствовать спецификации компонента и уровню риска.
Как предотвратить пористость при лазерной наплавке?
Профилактика наиболее эффективна, когда она направлена на механизм, выявленный в ходе диагностики. Используйте приведенные ниже проверки в качестве последовательности разработки процесса, а не в качестве универсального предписания параметров.
Проверьте состояние порошка и консистенцию партии.
Проверьте сертификат на порошок, обозначение сплава, диапазон размеров частиц и технологию производства. Сравните партии, если дефект обнаруживается внезапно. Следуйте инструкциям поставщика порошка по хранению и сушке для конкретного сплава; не применяйте произвольную температуру или время обжига. Если есть подозрение на внутреннюю пористость порошка, запросите характеристику исходного сырья или сравните репрезентативные образцы порошка, используя подходящий метод контроля.
Подготовьте подложку и предыдущий слой.
Удалите масло, смазку, ржавчину, рыхлый оксид, остатки механической обработки и другие загрязнения, используя метод, совместимый с подложкой и утвержденной процедурой. Убедитесь, что поверхность сухая перед нанесением покрытия. Осмотрите ранее нанесенные дорожки перед созданием следующего слоя; разрывы в предыдущем слое могут быть повторно расплавлены или перенесены в последующий материал.
Стабилизация подачи порошка и головки облицовки.
Проверьте подающее устройство, шланги, порошковую линию, сопло и выравнивание порошкового потока. Убедитесь, что выбранный порошок совместим с подающим устройством и подающей линией, и проверьте наличие засоров, утечек, образования комков или аномальных колебаний потока порошка. По возможности, проверьте повторяемость результатов на репрезентативном цикле производства, а не полагайтесь на один короткий тест.
ОнНаш податчик порошка для облицовки методом PTAW и лазерной наплавки.На этой странице описаны доступные конфигурации питателя и опубликованные технические характеристики подачи. Используйте эти данные для проверки совместимости с порошком и требуемой скорости подачи, а затем проверьте фактическую стабильность подачи с выбранным материалом и настройкой оборудования. Номинальные технические характеристики питателя не заменяют квалификацию процесса.
ОнОбзор головки лазерной наплавкиВ описании показана связь между лазерным трактом и компонентом подачи порошка. При поиске и устранении неисправностей изучите чертеж и инструкции для конкретной головки и сопла; коаксиальные и боковые конструкции имеют разные газовые пути, траектории движения порошка и требования к регулировке.
Оптимизируйте процесс как совокупность взаимосвязанных переменных.
Используйте контролируемые испытания для регулировки мощности лазера, скорости сканирования, скорости подачи порошка, размера пятна, расстояния между электродами и перекрытия дорожек. При возможности изменяйте только одну переменную за раз и записывайте результат. Убедитесь, что порошок полностью расплавлен и что расплавленная ванна повторно расплавляет предыдущую дорожку или подложку по мере необходимости, избегая при этом условий, создающих нестабильное понижение давления пара. Определите технологическое окно для фактического сплава, порошка, головки наплавки и геометрии компонента.
При проведении проверок, связанных с газом, следует различать подачу газа-носителя и защитное покрытие, а также ознакомиться с инструкциями для конкретной головки оболочки.Руководство OurCladding по выбору газа для лазерной наплавкиВ документе объясняются различные функции газа, используемого для транспортировки порошка, и локальной защиты; при проверке потока используйте фактическую схему газового тракта машины.
Перед началом процесса необходимо проверить качество покрытия.
Подтвердите улучшения с помощью метода контроля, требуемого для данного применения. В зависимости от компонента это может включать визуальный осмотр, металлографические срезы, рентгенографию или КТ, измерение твердости и другие механические или коррозионные испытания. Зафиксируйте номер партии порошка, состояние подложки, конфигурацию оборудования, набор параметров, метод контроля и результат приемки, чтобы можно было воспроизвести успешный процесс.
Можно ли устранить пористость в готовом слое, полученном методом лазерной наплавки?
Иногда, но решение зависит от расположения, размера, распределения пор или пустот, толщины покрытия, функции компонента и применимых критериев приемлемости. Небольшое изолированное повреждение в некритической области может рассматриваться иначе, чем связанная сеть пор или дефект неполного сцепления на сильно напряженном интерфейсе покрытия. Для компонентов, работающих под давлением, критически важных с точки зрения усталости или связанных с безопасностью, следует следовать действующим спецификациям и утвержденной процедуре ремонта, а не оценивать приемлемость только по внешнему виду.
Для ремонта может потребоваться удаление поврежденного покрытия до здорового материала, повторная подготовка участка и повторное нанесение материала с использованием квалифицированной технологии. Простое переплавление поверхности не гарантирует исчезновения внутренних пор или дефектов на границе раздела; это также может изменить степень разбавления, микроструктуру и остаточные напряжения. Необходимо повторно осмотреть отремонтированный участок, используя метод, требуемый спецификацией компонента.
Вам нужна автоматизированная система лазерной наплавки для вашего проекта?
Контроль пористости зависит не только от источника лазерного излучения. Подача порошка, конструкция наплавочной головки и сопла, управление движением, зажим заготовки и параметры процесса должны соответствовать материалу и компоненту. Компания OurCladding поставляет автоматизированное оборудование для лазерной наплавки и решения для подачи порошка для промышленного ремонта поверхностей и защиты от износа.
ИзучитеНаша автоматизированная машина для лазерной облицовки OurCladdingи проверьте, соответствуют ли лазерный источник, устройство подачи порошка, наплавочная головка, система перемещения и конфигурация зажимных приспособлений вашей подложке, марке порошка, размерам компонентов и требованиям к покрытию. Для анализа применимости,свяжитесь с технической командой OurCladdingс указанием чертежа заготовки, основного материала, характеристик порошка и целевой толщины покрытия.
Часто задаваемые вопросы
В чём основная причина образования пористости при лазерной наплавке?
Единой причины не существует. Газ может попадать в расплав вместе с порошком или оставаться запертым в расплавленной ванне, а недостаточное плавление может привести к дефектам, связанным с несплавлением. Вероятная причина зависит от морфологии, местоположения, распределения дефекта и сочетания материала и процесса.
Может ли влага в металлическом порошке вызывать пористость?
Влага может способствовать образованию газовых дефектов в некоторых порошковых и сплавных системах, но это не является причиной образования всех пор. Следуйте инструкциям поставщика порошка по хранению и сушке и отличайте газы, образующиеся из-за влаги, от внутренних пор, уже присутствующих в порошке.
Уменьшает ли увеличение мощности лазера пористость?
Это может уменьшить проблемы с плавлением при недостаточном эффективном подводе энергии, но чрезмерная локальная плотность энергии может в некоторых условиях создавать нестабильное понижение давления пара. Мощность необходимо оптимизировать вместе со скоростью сканирования, скоростью подачи порошка, размером пятна, расстоянием от источника до головки наплавки и настройкой головки наплавки.
Может ли защитный газ вызывать образование пор в лазерном покрытии?
Условия газового потока могут влиять на транспортировку порошка и атмосферу вокруг расплавленной ванны, но несущий газ и защитный газ выполняют разные функции. Не следует автоматически винить защитный газ. Перед изменением настроек газа проверьте фактические пути потока газа, стабильность потока, геометрию сопла, состояние порошка и местоположение дефекта.
В чём разница между газовыми порами и дефектами, связанными с несращением?
Газовые поры — это заполненные газом пустоты, обычно округлой формы, которые обнаруживаются внутри осажденного материала. Дефекты неполного сплавления вызваны неполным плавлением или образованием связей и чаще имеют неправильную или вытянутую форму на границах дорожек, слоев или подложки. В поперечном сечении они могут выглядеть как пустоты, но это не один и тот же механизм дефекта. Форма и местоположение являются лишь подсказками, а не окончательным диагнозом.
Как обнаружить внутренние поры в покрытии, нанесенном лазером?
Металлографические поперечные сечения позволяют выявить локальную форму пор, перекрытие дорожек и состояние границы раздела. Рентгенография или компьютерная томография могут использоваться для исследования внутренних дефектов в зависимости от геометрии компонента, ослабления излучения материалом и требуемого разрешения обнаружения.
Технические справочные материалы
Приведенные ниже исследования подтверждают механизмы дефектов и диагностические моменты, обсуждаемые в данной статье. Экспериментальные результаты специфичны для материалов, оборудования и условий, описанных каждой исследовательской группой; их не следует рассматривать как универсальные настройки оборудования.
Чжан, К., Чен, Ю., Марусси, С. и др. (2024). «Механизмы эволюции пор в процессе аддитивного производства методом направленного энергетического осаждения». Nature Communications, 15, 1715.https://doi.org/10.1038/s41467-024-45913-9
Мо, Б., Ли, Т., Дэн, Л., Ши, Ф., Лю, В., и Чжан, Х. (2024). «Механизмы и факторы, влияющие на образование дефектов при лазерном направленном энергетическом осаждении с коаксиальной подачей порошка: обзор». Виртуальное и физическое прототипирование, 19(1), e2404155.https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2404155
Ченг, Дж., Син, Ю., Донг, Э. и др. (2022). «Обзор лазерного осаждения металла для наплавки: механизмы образования дефектов, методы подавления дефектов и повышение производительности слоев, полученных лазерной наплавкой». Материалы, 15(16), 5522.https://doi.org/10.3390/ma15165522
Ван, А., Вэй, Ц., Тан, З. и др. (2023). «Влияние параметров обработки на дефекты пор при осаждении алюминия с помощью направленного лазерного излучения синим лазером: наблюдение in situ и ex situ». Журнал технологий обработки материалов, 319, 118068.https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118068
Ревилла, Р.И., и Де Граев, И. (2022). «Микроструктурные особенности, дефекты и коррозионное поведение покрытий из нержавеющей стали 316L, нанесенных на кованый материал методом прямого энергетического осаждения с использованием порошка и лазера, с учетом применения в ремонте». Материалы, 15(20), 7181.https://doi.org/10.3390/ma15207181
Дата публикации: 13 ноября 2026 г.