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粉末床激光熔化一種備受關(guān)注的金屬3D打印技術(shù)，憑借在制造復(fù)雜性設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，這一技術(shù)有望改變制造過(guò)程。然而這一技術(shù)尚未達(dá)到最佳的操作可靠性，其中的挑戰(zhàn)在于如何控制復(fù)雜的激光-粉末-熔池相互依賴(lài)性的動(dòng)力學(xué)。

3D科學(xué)谷此前在《Science 最新研究！減少粉末床金屬3D打印中“飛濺”引起的質(zhì)量缺陷》一文中分享過(guò)美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）等科研機(jī)構(gòu)通過(guò)高保真度的仿真技術(shù)與同步加速器實(shí)驗(yàn)捕獲中納秒級(jí)的快速多瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，開(kāi)發(fā)了一種穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)-“功率地圖（power map）”，從而穩(wěn)定熔池動(dòng)力學(xué)并使缺陷最小化。本期谷.專(zhuān)欄，通過(guò)Nature Communications上《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的分享，來(lái)了解如何通過(guò)納米粒子控制飛濺，減少鋁合金3D打印工藝的不穩(wěn)定性。

相關(guān)論文以題目“3D printed nickel catalytic static mixers made by corrosive chemical treatment for use in continuous flow hydrogenation”發(fā)表在《Reaction Chemistry & Engineering》上。本期谷.專(zhuān)欄將分享這一科研成果。

鋁合金系列

3D科學(xué)谷白皮書(shū)

根據(jù)3D科學(xué)谷，3D打印邁向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中遇到了一系列的難題，其中包括：通過(guò)信息管理系統(tǒng)來(lái)管理增材制造數(shù)據(jù)流；工藝可重復(fù)性、零件到零件的一致性；成熟的認(rèn)證和質(zhì)量檢測(cè)方法。可以說(shuō)任何一個(gè)零件，要實(shí)現(xiàn)從0到1的3D打印，再實(shí)現(xiàn)從1到n的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，都需要經(jīng)歷一個(gè)不斷突破的過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)工藝可重復(fù)性

《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的研究作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基會(huì)和威斯康星學(xué)迪遜分校啟動(dòng)基 （LC）的持。研究揭示了兩種機(jī)制協(xié)同工作以消除所有類(lèi)型的大飛濺：（1）通過(guò)納米粒子對(duì)熔池波動(dòng)的控制消除了液體破裂引起的大飛濺；(2) 通過(guò)納米粒子對(duì)液滴聚結(jié)的控制消除了液滴碰撞引起的大飛濺。論文發(fā)現(xiàn)納米粒子能夠同時(shí)穩(wěn)定熔池波動(dòng)和防止液滴聚結(jié)，為控制金屬增材制造缺陷提供了一種潛在的方法。

在激光粉末床熔化 (LPBF)金屬3D打印過(guò)程中，3D科學(xué)谷了解到當(dāng)高能激光束撞擊粉末床時(shí)，局部激光加熱會(huì)導(dǎo)致表面沸騰，形成強(qiáng)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，形成蒸汽凹陷（也稱(chēng)為凹陷區(qū)或小孔）；蒸氣射流的高速蒸氣流將粉末和液滴向上噴射出去，形成飛濺物，并誘導(dǎo)周?chē)鷼怏w流向激光束。

大飛濺的隨機(jī)形成是 LPBF 工藝中不可預(yù)測(cè)的缺陷形成的主要原因，也是質(zhì)量控制的一大挑戰(zhàn)，大飛濺可能導(dǎo)致嚴(yán)重的加工故障（例如，重涂機(jī)堵塞 、粉末床不均勻性、表面凹坑、成球、熔道變形 和3D打印產(chǎn)品中的缺陷（例如，孔隙 、雜質(zhì)）。由不可預(yù)測(cè)的飛濺帶來(lái)的缺陷引起的零件質(zhì)量不一致是 LPBF 在各個(gè)行業(yè)中廣泛采用的突出障礙，特別是對(duì)于安全性能要求高的零件加工來(lái)說(shuō)。

納米粒子消除大飛濺的產(chǎn)生

Nature Communication

飛濺形成的原因有多種復(fù)雜因素的結(jié)合，總體來(lái)說(shuō)，由于激光吸收率對(duì)入射角有很強(qiáng)的依賴(lài)性，3D科學(xué)谷了解到不均勻的能量吸收會(huì)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(dòng)，進(jìn)而引起激光能量吸收和蒸氣壓的波動(dòng)。

激光與熔池相互作用的能量導(dǎo)致了激光-粉床相互作用的強(qiáng)烈不穩(wěn)定性，例如帶來(lái)了熔池與蒸氣相互作用的凹陷漲落，從而帶來(lái)了氣流驅(qū)動(dòng)的飛濺碰撞，氣體驅(qū)動(dòng)的飛濺碰撞可導(dǎo)致大飛濺的形成（論文中的大飛濺定義為尺寸大于100 μm的飛濺）。

此前市場(chǎng)上的研究工作通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)的努力提高對(duì)飛濺的控制，但還不能消除大飛濺，因?yàn)檎{(diào)整加工參數(shù)不能改變激光與粉末床局部相互作用的內(nèi)在性質(zhì)。此前，消除大飛濺物的隨機(jī)形成仍然是一個(gè)加工挑戰(zhàn)。

論文通過(guò)使用納米粒子來(lái)控制激光-粉末床的相互作用來(lái)消除大的飛濺物，從而使得3D打印具有良好一致性和增強(qiáng)性能的零件。3D科學(xué)谷了解到通過(guò)原位高速同步加速器 X 射線成像實(shí)驗(yàn)表明，納米粒子可以同時(shí)穩(wěn)定熔池波動(dòng)和控制液滴聚結(jié)，從而消除所有類(lèi)型的大飛濺物。

消除大飛濺

研究工作通過(guò)原位高速同步加速器 X 射線成像用于表征 Al6061（含4.4%TiC）粉末床和 Al6061 粉末床激光熔化過(guò)程中的飛濺動(dòng)力學(xué)進(jìn)行比較，形成鮮明對(duì)比的是，添加了TiC的Al6061粉末床沒(méi)有觀察到大的飛濺。

通過(guò)納米粒子的引入增加了蒸氣凹陷深度，這主要是由于納米粒子的吸收率增強(qiáng)。為了確認(rèn)這種結(jié)果不局限于某種工藝參數(shù)的設(shè)置，3D科學(xué)谷了解到研究人員在寬范圍的工藝參數(shù)下進(jìn)行了原位 X 射線成像實(shí)驗(yàn)。在所研究的所有處理?xiàng)l件下都觀察到納米顆粒能夠消除大飛濺物。而相比之下，沒(méi)有添加納米粒子的Al6061材料在相同加工工藝參數(shù)下，則出現(xiàn)了許多數(shù)量密度約為 25 ± 4 cm-2 的大飛濺物。

納米粒子的引入不僅使得大飛濺帶來(lái)的缺陷顯著減少，3D科學(xué)谷了解到表面輪廓測(cè)量表明，表面粗糙度 (Ra) 降低了 90%，從不添加納米粒子的Al6061的增材制造結(jié)果20 ± 3 μm 的表面粗糙度降低到 2.1 ± 0.2 μm?？臻g分辨率為 2 μm 的 X 射線成像檢查表明，添加了納米粒子的3D打印零件中未檢測(cè)到孔隙，并且有效的晶粒細(xì)化帶來(lái)了熱裂的消除。

微觀結(jié)構(gòu)和性能

Nature Communication

I 納米顆粒消除液體破裂

為了揭示納米顆粒能夠消除大飛濺物的機(jī)制，研究人員進(jìn)行了深入的原位高速 X 射線成像研究。發(fā)現(xiàn)了兩種協(xié)同作用以防止大飛濺形成的機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)制是納米粒子穩(wěn)定了蒸汽抑制波動(dòng)，從而消除了熔池中的液體破裂。模擬研究表明，液體破裂是由流體動(dòng)量引起的慣性壓力克服表面張力引起的毛細(xì)壓力引起的，類(lèi)似于水的飛濺。然而，在 Al6061（添加4.4%TiC）的材料打印過(guò)程中，沒(méi)有觀察到液體破裂（甚至沒(méi)有液體突出）。

納米粒子可消除液體破裂

Nature Communication

隨著蒸汽壓降波動(dòng)的減少，液體動(dòng)量突然增加的驅(qū)動(dòng)力（例如，蒸汽壓降的突然膨脹推動(dòng)液體向上移動(dòng)，將液體排出熔池而產(chǎn)生的飛濺）得到緩解。3D科學(xué)谷了解到?jīng)]有足夠的液體動(dòng)量，慣性壓力（即動(dòng)能）不能克服表面張力引起的毛細(xì)壓力，從而抑制了飛濺的產(chǎn)生。

I納米粒子消除液滴碰撞

研究發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)機(jī)制是納米粒子在碰撞過(guò)程中阻止了液體飛濺物的聚結(jié)，從而消除了碰撞引起的大飛濺物。由于激光-粉末床相互作用區(qū)域周?chē)臍饬髅芗一靵y，因此在 LPBF 過(guò)程中，粉末碰撞經(jīng)常發(fā)生。當(dāng)熔池中的兩個(gè)液體飛濺物發(fā)生碰撞時(shí)，兩個(gè)飛濺物合并形成大飛濺物。碰撞引起的團(tuán)聚是大飛濺物形成的主要機(jī)制，此前通過(guò)優(yōu)化工藝條件或調(diào)整合金成分很難克服。然而，研究發(fā)現(xiàn)在 Al6061（添加4.4%TiC）的材料打印過(guò)程中，液體飛濺物可以在碰撞后立即分離，碰撞的唯一后果是它們的移動(dòng)方向和速度的變化。

納米粒子防止飛濺聚結(jié)

Nature Communication

總之，研究發(fā)現(xiàn)并證明了納米粒子通過(guò)同時(shí)穩(wěn)定熔池波動(dòng)和防止液滴聚結(jié)來(lái)控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性，從而消除大飛濺，這為穩(wěn)定的金屬增材制造質(zhì)量控制提供了一條可行的途徑。