激光選區熔化工藝（也即激光粉末床熔融，簡記為SLM/LPBF）作為典型的金屬增材制造工藝，自1996年由弗朗霍夫激光所Wilhelm Meiners博士發明至今已有26年。
在這期間，LPBF工藝發展日益成熟，在合金粉末制備、成形設備研發、數值模擬、后處理、工程應用等領域都取得了突破性的進展。當前，LPBF工藝已經成為高性能金屬構件制備的重要工藝之一。與傳統的鑄鍛焊相比，LPBF工藝具有一些顯著的優勢：
①成形自由度大。 CAD設計模型自由度大，LPBF可以成形精密復雜結構件，不受三維模型幾何形狀限制。特別對于航空航天常用到的“深腔-異形-薄壁”構件具有獨特的優勢。
②成形工序簡單。 傳統的成形工藝往往需要車間、模具、后加工等復雜的配套設施，而LPBF無需模具，成形試樣幾乎接近最終實體構件，需要后續的工藝很少，使得交貨速率大大提高。
③低碳環保經濟。 LPBF工藝成形材料利用率高，基本沒有邊角料的浪費，成形過程也沒有污染物排放，低碳經濟環保。
④優異的力學性能。 LPBF成形過程屬于快速非平衡凝固過程，如圖1所示。成形后的晶粒組織細小，可獲得優異的強度，在經過后續熱處理進行組織性調控后可獲得強韌性良好配合的合金構件。
圖1 LPBF工藝示意圖 ⑤工藝適應強。 LPBF工藝對一些復雜、小批量、交貨周期短、定制化的合金構件特別適用，極大的提高了生產效率。
雖然LPBF工藝具有諸多優勢，但依然存在著一些不足。比如，LPBF成形構件存在成形極限，對于一些尺寸小于300μm構件成形效果差。另外，LPBF成形的構件表面粗糙度并不理想。因此，找到一種適用于小尺寸構件生產且兼顧表面光潔度的超高精度打印工藝顯得格外重要。
微激光粉末床熔融（μ-LPBF）工藝作為金屬增材制造工藝的突破，一經問世就得到了廣泛的關注，在媒體以及材料學頂刊上都能找到它的身影。μ-LPBF工藝作為高精度金屬3D打印工藝，打印精度可達2~5μm，且在打印過程氣流平穩、無需支撐。
從文獻調研來看，μ-LPBF工藝目前從主要用于NiTi合金和316L不銹鋼合金構件的制備。中國石油大學(北京) 郝世杰教授團隊使用Aixway Precision 100設備（Aixway, Germany）成形NiTi形狀記憶合金[1]，其中使用粒度尺寸分布在5.8-19.6μm內，并將成果發表在金屬增材制造頂刊《Additive Manufacturing》。
從圖2和圖3可以明顯看出LPBF與μ-LPBF兩者所需粉末粒度差距較大，以往的LPBF工藝要求金屬粉末粒度為15~53μm，而μ-LPBF工藝要求粒度在20μm以下。
圖2用于LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布
圖3用于μ-LPBF工藝的NiTi合金粉末:（a）粉末形貌，（b）粒度分布，(c)成分
該團隊制造出厚度在52~90μm的薄壁結構、薄支柱晶格和支架，它們具有優異的質量和功能特性（如圖4所示）。
圖4 μ-LPBF工藝成形NiTi合金實體薄壁構件
制造的 NiTi 薄壁結構不僅實現了 52 μm 的最小特征尺寸和 < 2 μm 的低表面粗糙度，而且與傳統的 LPBF工藝相比，μ-LPBF制備的NiTi合金具有更好的拉伸性能和形狀記憶效應。制造出來的微型支架可承受高達 50% 的壓縮變形而不會出現機械故障，并且在加熱時表現出> 98%的形狀恢復。
同時研究還表明與傳統的 LPBF成形 NiTi 合金相比，μ-LPBF工藝制備NiTi 表現出更寬的相變峰和更低的相變潛熱，這些特性是由μ-LPBF 在成形材料過程中采用單道掃描模式所導致的弱熱循環造成的。
目前除了NiTi合金，μ-LPBF還用來制備316L不銹鋼。湖南大學陳根余教授團隊使用μ-LPBF工藝制備316L不銹鋼，并將成果發表在《Optics & Laser Technology》期刊[2]。該團隊使用的316L合金粉末為0-25μm，平均粒徑為11.5μm。
實驗通過響應面實驗（BBD）對工藝參數進行優化，得到最優工藝參數。所得合金試樣的最優性能為：UTS=580±8.2 MPa， YS=398±7.4 MPa，El=46±1.75%，滿足ASTM標準。
另外，使用μ-LPBF工藝制備316L合金的還有新加坡制造學院的Hang LiSeet教授團隊[3]，該團隊使用的成形設備為自主研發的μ-LPBF系統，該設備配備IPG光纖激光器，波長為1070 nm，最大激光功率為100 W，焦斑尺寸為15 μm，層厚為10 μm。粉末使用氣霧化制備的平均直徑為 13.32 μm 的316L合金粉末。
實驗成功實現了近乎全致密的高強度奧氏體不銹鋼316L（孔隙率低于0.1%）。拉伸試驗表明，試樣的屈服強度在 645 MPa 到 690 MPa 之間，極限抗拉強度765～795 MPa，總伸長率超過 40%。與傳統LPBF工藝相比，試樣并沒有犧牲延伸率且具有高強度。該現象可歸因于精細的蜂窩結構（280-300 nm），如圖6和圖7所示。
圖6胞狀結構的STEM-HAADF 圖像
圖 7 使用鋪粉層厚分別為15 μm (a)、25 μm (b)、35 μm (c) 和 45 μm (d)制造的樣品的胞狀結構
與文獻中的 μ-LPBF 制造的試樣相比，薄壁有助于略微提高屈服強度。另外，研究還表明掃描間距對胞狀結構尺寸影響很小，但對晶粒大小影響較大，如表1所示。該成果發表在《Materials Science and Engineering: A》，對μ-LPBF制備316L不銹鋼的微觀組織機理又有了更進一步的研究。
表1 不同掃描間距制備的樣品的晶粒尺寸和 LAGB 百分比匯總
μ-LPBF工藝作為一項新的工藝極具科研和應用價值，其最大的特點在于成形構件尺寸較小，表面粗糙度較高。該工藝在航空航天、生物醫學植入體、微電子、精密儀器等領域具有極大的應用潛力，但μ-LPBF工藝發展也存在一些挑戰。比如粉末制備、設備研發及成本等。
在粉末制備這一塊小編深有體會，眾所周知小粒度粉末制備困難，產出率低，而且粉末過小容易團聚黏著，鋪粉效果特別差。小編曾接觸過0-10μm粒度的NiTi合金粉末μ-LPBF打印，但是粉末就像“潮濕”一樣無法進行鋪展。
總之，一項新的技術出現，往往會成為行業的風口。3D打印發展方興未艾，相信不久的將來，μ-LPBF工藝會憑借著自身的優勢在工程制造領域大放異彩。
[參考文獻] [1]Micro laser powder bed fusion of NiTi alloys with superior mechanical property and shape recovery function[J]. Additive Manufacturing,2022,57. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2022.102960 [2]Process optimization of micro selective laser melting and comparison of different laser diameter for forming different powder[J]. Optics and Laser Technology,2022,150. DOI: 10.1016/J.OPTLASTEC.2022.107953 [3]Micro laser powder bed fusion of stainless steel 316L: Cellular structure, grain characteristics, and mechanical properties[J]. Materials Science & Engineering A,2022,848.DOI: 10.1016/J.MSEA.2022.143345 | 
