《Nature》子刊：激光粉末增材制造再获突破！消除液滴飞溅！大幅提高工艺稳定性

来源：材料学网

导读：局部激光-粉末床相互作用所固有的工艺不稳定性导致激光粉末床融合 (LPBF) 增材制造过程中形成各种缺陷。特别是，大飞溅物的随机形成会导致打印部件出现不可预测的缺陷。本文报告了通过使用纳米粒子控制激光-粉末床相互作用不稳定性来消除大飞溅物。大飞溅的消除导致3D 打印样品具有良好的一致性和高性能。纳米粒子对熔池波动的控制消除了液体破裂引起的大飞溅；(2) 纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。此处发现的纳米粒子能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，为实现缺陷贫金属增材制造提供了一种潜在的方法。

激光粉末床熔合 (LPBF) 使用聚焦的高能激光束选择性地熔化金属粉末的薄层，从而将计算机辅助设计模型直接转换为零件。高空间分辨率使 LPBF 能够制造具有传统制造路线无法实现的复杂几何形状的金属零件，如图 1a所示，这有可能彻底改变许多工业（例如，航空航天、医疗、国防）。然而，粉末床的聚焦激光加热会造成严重的工艺不稳定性，从而导致各种缺陷的形成，如图所示 。当高能激光束撞击粉末床时，局部激光加热导致表面沸腾，形成强烈的蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力将熔体表面向下推以形成蒸汽凹陷（也称为凹陷区或小孔）；蒸气射流的高速向上蒸气流将粉末和液滴喷射出去，形成飞溅物，并诱导周围气体流向激光束，从而引起粉末夹带。

由于激光吸收率对入射角的强烈依赖性，不均匀的能量吸收导致不均匀的汽化，从而导致熔池表面（液-气界面）上的反冲压力不均匀。不均匀的反冲压力引起液气界面的波动，进而引起激光能量吸收和蒸气压的波动。相互支撑的能量吸收涨落和液面涨落导致了激光-粉床相互作用的强烈不稳定性，例如熔池/汽洼涨落和气流驱动的飞溅碰撞。蒸汽下降波动导致熔池中的液体破裂和气体驱动的飞溅碰撞会导致形成大的飞溅物（此处定义为尺寸大于 100 μm 的飞溅物）。

大飞溅的随机形成是 LPBF 工艺中不可预测的缺陷形成的主要原因，也是质量控制的一大挑战，因为它可能导致严重的加工故障（例如，粉末床不均匀性、表面凹坑、成球、熔道变形 ) 和部件中的缺陷（例如，缺乏熔合孔隙、夹杂物）。由不可预测的缺陷引起的零件质量不一致是LPBF在各个行业中广泛采用的最突出障碍，特别是对于任务关键型应用。先前优化加工条件的努力可以改变飞溅的数量，但不能消除大飞溅，因为调整加工参数不能改变激光与粉末床15的局部相互作用的内在性质。消除大飞溅物的随机形成仍然是一个挑战。

在这里，威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系研究团队展示了通过使用纳米粒子来控制激光-粉末床相互作用来消除大飞溅物，这导致 3D 打印具有良好一致性和增强性能。我们的原位高速同步加速器 X 射线成像实验表明，纳米粒子通过同时稳定熔池波动和控制液滴聚结来消除所有类型的大飞溅物。我们在这里发现的方法和机制提供了一种实现缺陷精益金属增材制造的潜在方法。相关研究成果在国际著名期刊《Nature》子刊上发表。

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

高温下毛细压力屏障的降低对于粉末结合到熔池中以形成构建轨道至关重要。在激光相互作用区，粉末可以被加热到非常高的温度。这种高温可以消除熔池区域中的毛细压力屏障，从而允许纳米颗粒涂层粉末的掺入进入熔池。我们假设与温度相关的毛细管压力屏障对于实现飞溅控制和允许粉末同时掺入熔池至关重要。

图 1：通过纳米粒子消除 LPBF 中的大飞溅物。聚焦激光束使 LPBF 能够打印复杂的几何形状。b LPBF 的内在过程不稳定性导致大量飞溅物的产生。c大飞溅引起的缺陷。d – i原位 X 射线图像显示 Al6061 和 Al6061+4.4vol.%TiC 在相同工艺参数 ( d , e ) 和相同熔化模式、传导模式 ( f , g ) 和锁孔模式 ( h , i )。激光功率显示在 X 射线图像中观察到大飞溅物的消除。

拉伸测试结果表明，打印后的Al6061+4.4vol.%TiC的拉伸强度与T6热处理后的变形Al6061相当，拉伸伸长率提高33%；热处理后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的抗拉强度比锻造的 Al6061 高 123 ± 13 MPa (42%)，并且仍保持 7.9% ± 0.3% 的合理伸长率（图 2i）。锻造的 Al6061 用于比较，因为打印的 Al6061 样品包含裂缝（图 2d，g）。更重要的是，打印的 Al6061+4.4vol.%TiC 的机械性能表现出良好的一致性（与锻造的 Al6061 相当）。

图 2：微观结构和性能。, b Al6061 ( a ) 和 Al6061+4.4vol.%TiC ( b )的印刷顶面的表面轮廓。c印刷顶面的表面粗糙度 (Ra) 和最大高度差 (Rm)。误差线代表标准偏差。d , e印刷后的 Al6061 ( d ) 和印刷后的 Al6061+4.4vol.%TiC ( e ) 样品的 X 射线图像。f SEM 图像显示了 TiC 纳米颗粒在印刷后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的横截面中的分布。样品倾斜 52° 以更清楚地显示纳米颗粒。g中的黑色代表裂缝或孔隙。i代表性拉伸试验曲线。在 1% 的应变下强度突然下降是由引伸计移除引起的。j屈服强度、极限抗拉强度 (UTS) 和伸长率的变化系数。打印后的 Al6061 样品未进行测试，因为它包含太多裂纹

图 3：纳米粒子可消除液体破裂。由于蒸气凹陷深度在决定飞溅物形成中起关键作用，因此选择激光加工参数以在 Al6061 和 Al6061+4.4vol.%TiC 中实现相似的蒸气凹陷深度进行比较。

图 4：纳米粒子防止飞溅聚结。a - c X 射线图像显示了 Al6061 的 LPBF 期间飞溅碰撞引起的团聚。d Al6061飞溅物的移动速度。e - g X 射线图像显示两个 Al6061+4.4vol.%TiC 飞溅物在碰撞后分离。h Al6061+4.4vol.%TiC飞溅物的移动速度。

总之，我们发现并证明了纳米粒子通过同时稳定熔池波动和防止液滴聚结来控制激光-粉末床相互作用的不稳定性，从而消除大飞溅并打印具有良好一致性和增强性能的缺陷贫化样品. 纳米粒子对激光-物质相互作用不稳定性的控制为实现贫缺陷金属增材制造提供了一条可行的途径。