《Nature》子刊：通過納米顆粒減少3D打印缺陷，提高工藝穩定性
時間：2022-05-03 11:18 來源：材料科學與工程 作者：admin 閱讀：次
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定性易導致各種缺陷的形成。特別是大飛濺的隨機形成，會導致打件中不可預測的缺陷。
在此，來自美國威斯康星大學麥迪孫分校的Lianyi Chen等研究者，報告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩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的性能。研究人員發現了兩種機制協同工作，以消除所有類型的大飛濺：（1）納米顆粒控制熔池波動，消除液體破裂引起的大飛濺；（2） 通過納米顆粒控制液滴聚合，消除了液滴碰撞引起的大飛濺。納米顆粒能夠同時穩定熔池波動和防止液滴聚結，這為實現無缺陷金屬增材制造提供了一種潛在的方法。
相關論文以題為“Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing”發表在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，直接將計算機輔助設計模型轉化為零件。聚焦束尺寸小(約50 100米)帶來的高空間分辨率，使LPBF能夠制造傳統制造方法無法實現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行業(如航空航天、醫療、國防)。然而，粉末床的激光聚焦加熱會產生嚴重的工藝不穩定性，從而導致各種缺陷的形成，如圖1b,
c所示。當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，形成強烈的蒸汽射流。蒸汽噴射產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，并誘導周圍的氣體流向激光束，造成粉末夾帶。
由于激光吸收率對入射角的強烈依賴性，非均勻能量吸收導致非均勻汽化，從而在熔池表面(液氣界面)產生非均勻反沖壓力。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致了激光-粉末床相互作用的強烈不穩定性，如熔池/氣相抑制波動和氣相流驅動的飛濺碰撞。蒸汽壓降波動導致熔池中液體破裂，氣驅飛濺碰撞可形成較大的飛濺(此處定義為大于100 μm的飛濺)。
大型濺的隨機形成的主要原因是不可預知LPBF過程中缺陷的形成和質量控制一個巨大的挑戰，因為它可能導致關鍵處理故障(例如，重新涂堵塞，粉床不均勻，表面坑，球磨機，融化跟蹤失真)，打印件缺陷(例如,缺乏熔合氣孔、夾雜物)。由于不可預測的缺陷導致的零件質量不一致，是LPBF在各個行業廣泛應用的最大障礙，特別是在關鍵任務應用中。
由于工藝參數的調整，并不能改變激光與粉床局部相互作用的本質，以往優化工藝條件的努力可以改變濺射量，但不能消除較大的濺射。消除大飛濺的隨機形成，仍然是一個挑戰。
在此，研究者報告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩定性來消除大的飛濺。消除大飛濺導致缺陷精益樣品的3D打印，具有良好的一致性和增強的性能。研究發現，兩種機制協同作用，可以消除各種類型的大飛濺現象：(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象；(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。該研究發現的納米顆粒，能夠同時穩定熔池波動和防止液滴凝聚，為實現缺陷精益金屬添加劑制造提供了一條潛在的途徑。
在此，來自美國威斯康星大學麥迪孫分校的Lianyi Chen等研究者，報告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩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的性能。研究人員發現了兩種機制協同工作，以消除所有類型的大飛濺：（1）納米顆粒控制熔池波動，消除液體破裂引起的大飛濺；（2） 通過納米顆粒控制液滴聚合，消除了液滴碰撞引起的大飛濺。納米顆粒能夠同時穩定熔池波動和防止液滴聚結，這為實現無缺陷金屬增材制造提供了一種潛在的方法。
相關論文以題為“Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing”發表在Nature Communications上。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2
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烈依賴性，非均勻能量吸收導致非均勻汽化，從而在熔池表面(液氣界面)產生非均勻反沖壓力。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致了激光-粉末床相互作用的強烈不穩定性，如熔池/氣相抑制波動和氣相流驅動的飛濺碰撞。蒸汽壓降波動導致熔池中液體破裂，氣驅飛濺碰撞可形成較大的飛濺(此處定義為大于100 μm的飛濺)。
大型濺的隨機形成的主要原因是不可預知LPBF過程中缺陷的形成和質量控制一個巨大的挑戰，因為它可能導致關鍵處理故障(例如，重新涂堵塞，粉床不均勻，表面坑，球磨機，融化跟蹤失真)，打印件缺陷(例如,缺乏熔合氣孔、夾雜物)。由于不可預測的缺陷導致的零件質量不一致，是LPBF在各個行業廣泛應用的最大障礙，特別是在關鍵任務應用中。
由于工藝參數的調整，并不能改變激光與粉床局部相互作用的本質，以往優化工藝條件的努力可以改變濺射量，但不能消除較大的濺射。消除大飛濺的隨機形成，仍然是一個挑戰。
在此，研究者報告了通過使用納米顆粒控制激光-粉末床相互作用的不穩定性來消除大的飛濺。消除大飛濺導致缺陷精益樣品的3D打印，具有良好的一致性和增強的性能。研究發現，兩種機制協同作用，可以消除各種類型的大飛濺現象：(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象；(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。該研究發現的納米顆粒，能夠同時穩定熔池波動和防止液滴凝聚，為實現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。
綜上所述，研究者發現并證明了納米粒子，通過穩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定性，從而消除了大的飛濺，并打印出一致性好、性能增強的少缺陷甚至無缺陷樣品。納米粒子控制激光-物質相互作用的不穩定性，為減少金屬增材制造缺陷提供了一條可行的途徑。
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