《Nature》子刊：激光粉末增材制造再獲突破！消除液滴飛濺！大幅提高工藝穩(wěn)定性

來源：材料學網(wǎng)

導讀：局部激光-粉末床相互作用所固有的工藝不穩(wěn)定性導致激光粉末床融合 (LPBF) 增材制造過程中形成各種缺陷。特別是，大飛濺物的隨機形成會導致打印部件出現(xiàn)不可預測的缺陷。本文報告了通過使用納米粒子控制激光-粉末床相互作用不穩(wěn)定性來消除大飛濺物。大飛濺的消除導致3D 打印樣品具有良好的一致性和高性能。納米粒子對熔池波動的控制消除了液體破裂引起的大飛濺；(2) 納米粒子對液滴聚結的控制消除了液滴碰撞引起的大飛濺。此處發(fā)現(xiàn)的納米粒子能夠同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴聚結，為實現(xiàn)缺陷貧金屬增材制造提供了一種潛在的方法。

激光粉末床熔合 (LPBF) 使用聚焦的高能激光束選擇性地熔化金屬粉末的薄層，從而將計算機輔助設計模型直接轉換為零件。高空間分辨率使 LPBF 能夠制造具有傳統(tǒng)制造路線無法實現(xiàn)的復雜幾何形狀的金屬零件，如圖 1a所示，這有可能徹底改變許多工業(yè)（例如，航空航天、醫(yī)療、國防）。然而，粉末床的聚焦激光加熱會造成嚴重的工藝不穩(wěn)定性，從而導致各種缺陷的形成，如圖所示 。當高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱導致表面沸騰，形成強烈的蒸汽射流。蒸汽射流產(chǎn)生的反沖壓力將熔體表面向下推以形成蒸汽凹陷（也稱為凹陷區(qū)或小孔）；蒸氣射流的高速向上蒸氣流將粉末和液滴噴射出去，形成飛濺物，并誘導周圍氣體流向激光束，從而引起粉末夾帶。

由于激光吸收率對入射角的強烈依賴性，不均勻的能量吸收導致不均勻的汽化，從而導致熔池表面（液-氣界面）上的反沖壓力不均勻。不均勻的反沖壓力引起液氣界面的波動，進而引起激光能量吸收和蒸氣壓的波動。相互支撐的能量吸收漲落和液面漲落導致了激光-粉床相互作用的強烈不穩(wěn)定性，例如熔池/汽洼漲落和氣流驅動的飛濺碰撞。蒸汽下降波動導致熔池中的液體破裂和氣體驅動的飛濺碰撞會導致形成大的飛濺物（此處定義為尺寸大于 100 μm 的飛濺物）。

大飛濺的隨機形成是 LPBF 工藝中不可預測的缺陷形成的主要原因，也是質量控制的一大挑戰(zhàn)，因為它可能導致嚴重的加工故障（例如，粉末床不均勻性、表面凹坑、成球、熔道變形 ) 和部件中的缺陷（例如，缺乏熔合孔隙、夾雜物）。由不可預測的缺陷引起的零件質量不一致是LPBF在各個行業(yè)中廣泛采用的最突出障礙，特別是對于任務關鍵型應用。先前優(yōu)化加工條件的努力可以改變飛濺的數(shù)量，但不能消除大飛濺，因為調整加工參數(shù)不能改變激光與粉末床15的局部相互作用的內在性質。消除大飛濺物的隨機形成仍然是一個挑戰(zhàn)。

在這里，威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系研究團隊展示了通過使用納米粒子來控制激光-粉末床相互作用來消除大飛濺物，這導致 3D 打印具有良好一致性和增強性能。我們的原位高速同步加速器 X 射線成像實驗表明，納米粒子通過同時穩(wěn)定熔池波動和控制液滴聚結來消除所有類型的大飛濺物。我們在這里發(fā)現(xiàn)的方法和機制提供了一種實現(xiàn)缺陷精益金屬增材制造的潛在方法。相關研究成果在國際著名期刊《Nature》子刊上發(fā)表。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2

高溫下毛細壓力屏障的降低對于粉末結合到熔池中以形成構建軌道至關重要。在激光相互作用區(qū)，粉末可以被加熱到非常高的溫度。這種高溫可以消除熔池區(qū)域中的毛細壓力屏障，從而允許納米顆粒涂層粉末的摻入進入熔池。我們假設與溫度相關的毛細管壓力屏障對于實現(xiàn)飛濺控制和允許粉末同時摻入熔池至關重要。

圖 1：通過納米粒子消除 LPBF 中的大飛濺物。聚焦激光束使 LPBF 能夠打印復雜的幾何形狀。b LPBF 的內在過程不穩(wěn)定性導致大量飛濺物的產(chǎn)生。c大飛濺引起的缺陷。d – i原位 X 射線圖像顯示 Al6061 和 Al6061+4.4vol.%TiC 在相同工藝參數(shù) ( d , e ) 和相同熔化模式、傳導模式 ( f , g ) 和鎖孔模式 ( h , i )。激光功率顯示在 X 射線圖像中觀察到大飛濺物的消除。

拉伸測試結果表明，打印后的Al6061+4.4vol.%TiC的拉伸強度與T6熱處理后的變形Al6061相當，拉伸伸長率提高33%；熱處理后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的抗拉強度比鍛造的 Al6061 高 123 ± 13 MPa (42%)，并且仍保持 7.9% ± 0.3% 的合理伸長率（圖 2i）。鍛造的 Al6061 用于比較，因為打印的 Al6061 樣品包含裂縫（圖 2d，g）。更重要的是，打印的 Al6061+4.4vol.%TiC 的機械性能表現(xiàn)出良好的一致性（與鍛造的 Al6061 相當）。

圖 2：微觀結構和性能。, b Al6061 ( a ) 和 Al6061+4.4vol.%TiC ( b )的印刷頂面的表面輪廓。c印刷頂面的表面粗糙度 (Ra) 和最大高度差 (Rm)。誤差線代表標準偏差。d , e印刷后的 Al6061 ( d ) 和印刷后的 Al6061+4.4vol.%TiC ( e ) 樣品的 X 射線圖像。f SEM 圖像顯示了 TiC 納米顆粒在印刷后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的橫截面中的分布。樣品傾斜 52° 以更清楚地顯示納米顆粒。g中的黑色代表裂縫或孔隙。i代表性拉伸試驗曲線。在 1% 的應變下強度突然下降是由引伸計移除引起的。j屈服強度、極限抗拉強度 (UTS) 和伸長率的變化系數(shù)。打印后的 Al6061 樣品未進行測試，因為它包含太多裂紋

圖 3：納米粒子可消除液體破裂。由于蒸氣凹陷深度在決定飛濺物形成中起關鍵作用，因此選擇激光加工參數(shù)以在 Al6061 和 Al6061+4.4vol.%TiC 中實現(xiàn)相似的蒸氣凹陷深度進行比較。

圖 4：納米粒子防止飛濺聚結。a - c X 射線圖像顯示了 Al6061 的 LPBF 期間飛濺碰撞引起的團聚。d Al6061飛濺物的移動速度。e - g X 射線圖像顯示兩個 Al6061+4.4vol.%TiC 飛濺物在碰撞后分離。h Al6061+4.4vol.%TiC飛濺物的移動速度。

總之，我們發(fā)現(xiàn)并證明了納米粒子通過同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴聚結來控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性，從而消除大飛濺并打印具有良好一致性和增強性能的缺陷貧化樣品. 納米粒子對激光-物質相互作用不穩(wěn)定性的控制為實現(xiàn)貧缺陷金屬增材制造提供了一條可行的途徑。