《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(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：局部激光-粉末床相互作用所固有的工藝不穩(wěn)定性導(dǎo)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(dǎo)致打印部件出現(xiàn)不可預(yù)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(dǎo)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(jié)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(jié)，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(shè)計模型直接轉(zhuǎn)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(fù)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(dǎo)致各種缺陷的形成，如圖所示 。當(dāng)高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致不均勻的汽化，從而導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動的飛濺碰撞。蒸汽下降波動導(dǎo)致熔池中的液體破裂和氣體驅(qū)動的飛濺碰撞會導(dǎo)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(yù)測的缺陷形成的主要原因，也是質(zhì)量控制的一大挑戰(zhàn)，因為它可能導(dǎo)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(yù)測的缺陷引起的零件質(zhì)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(wù)關(guān)鍵型應(yīng)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(diào)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(nèi)在性質(zhì)。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(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)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(dǎo)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(jié)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(guān)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(jié)合到熔池中以形成構(gòu)建軌道至關(guān)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(shè)與溫度相關(guān)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(guān)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(fù)雜的幾何形狀。b LPBF 的內(nèi)在過程不穩(wěn)定性導(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(dāng)，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(dāng)）。

圖 2：微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)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(jié)。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(jié)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(zhì)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。