《Nature》子刊：通過納米顆粒減少3D打印缺陷，提高工藝穩(wěn)定性

來源：材料科學(xué)與工程

在激光粉末床熔融（LPBF）增材制造過程中，激光—粉末床局部相互作用固有的過程不穩(wěn)定性易導(dǎo)致各種缺陷的形成。特別是大飛濺的隨機(jī)形成，會導(dǎo)致打件中不可預(yù)測的缺陷。

在此，來自美國威斯康星大學(xué)麥迪孫分校的Lianyi Chen等研究者，報(bào)告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性來消除大的飛濺。通過消除大量的飛濺，3D打印出的樣品具有良好的一致性和增強(qiáng)的性能。研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種機(jī)制協(xié)同工作，以消除所有類型的大飛濺：（1）納米顆�？刂迫鄢夭▌�，消除液體破裂引起的大飛濺；（2） 通過納米顆�？刂埔旱尉酆�，消除了液滴碰撞引起的大飛濺。納米顆粒能夠同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴聚結(jié)，這為實(shí)現(xiàn)無缺陷金屬增材制造提供了一種潛在的方法。

相關(guān)論文以題為“Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing”發(fā)表在Nature Communications上。

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

激光粉床熔合(LPBF)是利用聚焦的高能激光束選擇性地熔化薄層金屬粉末，直接將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為零件。聚焦束尺寸小(約50 100米)帶來的高空間分辨率，使LPBF能夠制造傳統(tǒng)制造方法無法實(shí)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行業(yè)(如航空航天、醫(yī)療、國防)。然而，粉末床的激光聚焦加熱會產(chǎn)生嚴(yán)重的工藝不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致各種缺陷的形成，如圖1b, c所示。當(dāng)高能激光束撞擊到粉末層上時，激光局部加熱引起表面沸騰，形成強(qiáng)烈的蒸汽射流。蒸汽噴射產(chǎn)生的反沖壓力將熔體表面向下推，形成蒸氣壓降(也稱為壓降區(qū)或鎖孔)；蒸汽射流的高速向上的蒸汽流將粉末和液滴噴射出來形成飛濺，并誘導(dǎo)周圍的氣體流向激光束，造成粉末夾帶。

圖1 納米顆粒消除LPBF中的大飛濺。

由于激光吸收率對入射角的強(qiáng)烈依賴性，非均勻能量吸收導(dǎo)致非均勻汽化，從而在熔池表面(液氣界面)產(chǎn)生非均勻反沖壓力。非均勻反沖壓力引起液氣界面的波動，進(jìn)而引起激光能量吸收和蒸汽壓的波動。相互支持的能量吸收波動和液體表面波動導(dǎo)致了激光-粉末床相互作用的強(qiáng)烈不穩(wěn)定性，如熔池/氣相抑制波動和氣相流驅(qū)動的飛濺碰撞。蒸汽壓降波動導(dǎo)致熔池中液體破裂，氣驅(qū)飛濺碰撞可形成較大的飛濺(此處定義為大于100 μm的飛濺)。

大型濺的隨機(jī)形成的主要原因是不可預(yù)知LPBF過程中缺陷的形成和質(zhì)量控制一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗�可能�?dǎo)致關(guān)鍵處理故障(例如，重新涂堵塞，粉床不均勻，表面坑，球磨機(jī)，融化跟蹤失真)，打印件缺陷(例如,缺乏熔合氣孔、夾雜物)。由于不可預(yù)測的缺陷導(dǎo)致的零件質(zhì)量不一致，是LPBF在各個行業(yè)廣泛應(yīng)用的最大障礙，特別是在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中。

由于工藝參數(shù)的調(diào)整，并不能改變激光與粉床局部相互作用的本質(zhì)，以往優(yōu)化工藝條件的努力可以改變?yōu)R射量，但不能消除較大的濺射。消除大飛濺的隨機(jī)形成，仍然是一個挑戰(zhàn)。

在此，研究者報(bào)告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性來消除大的飛濺。消除大飛濺導(dǎo)致缺陷精益樣品的3D打印，具有良好的一致性和增強(qiáng)的性能。研究發(fā)現(xiàn)，兩種機(jī)制協(xié)同作用，可以消除各種類型的大飛濺現(xiàn)象：(1)納米顆粒控制熔池波動消除了液體破裂引起的大飛濺現(xiàn)象；(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。該研究發(fā)現(xiàn)的納米顆粒，能夠同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴凝聚，為實(shí)現(xiàn)缺陷精益金屬添加劑制造提供了一條潛在的途徑。

圖2 微組織和性能。

圖3 納米顆粒消除液體破裂。

圖4 納米顆粒防止飛濺聚結(jié)。

綜上所述，研究者發(fā)現(xiàn)并證明了納米粒子，通過穩(wěn)定熔池波動和防止液滴凝聚來控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性，從而消除了大的飛濺，并打印出一致性好、性能增強(qiáng)的少缺陷甚至無缺陷樣品。納米粒子控制激光-物質(zhì)相互作用的不穩(wěn)定性，為減少金屬增材制造缺陷提供了一條可行的途徑。