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)計中的優(yōu)勢，這一技術(shù)有望改變制造過程。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-熔池相互依賴性的動力學(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》一文中分享過美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）等科研機(jī)構(gòu)通過高保真度的仿真技術(shù)與同步加速器實(shí)驗(yàn)捕獲中納秒級的快速多瞬態(tài)動力學(xué)，開發(fā)了一種穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)-“功率地圖（power map）”，從而穩(wěn)定熔池動力學(xué)并使缺陷最小化。本期谷.專欄，通過Nature Communications上《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的分享，來了解如何通過納米粒子控制飛濺，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.專欄將分享這一科研成果。

鋁合金系列

3D科學(xué)谷白皮書

根據(jù)3D科學(xué)谷，3D打印邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中遇到了一系列的難題，其中包括：通過信息管理系統(tǒng)來管理增材制造數(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)量檢測方法?？梢哉f任何一個零件，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)歷一個不斷突破的過程。

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國家科學(xué)基會和威斯康星學(xué)迪遜分校啟動基 （LC）的持。研究揭示了兩種機(jī)制協(xié)同工作以消除所有類型的大飛濺：（1）通過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) 通過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。論文發(fā)現(xiàn)納米粒子能夠同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴聚結(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打印過程中，3D科學(xué)谷了解到當(dāng)高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱會導(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)周圍氣體流向激光束。

大飛濺的隨機(jī)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)，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)測的飛濺帶來的缺陷引起的零件質(zhì)量不一致是 LPBF 在各個行業(yè)中廣泛采用的突出障礙，特別是對于安全性能要求高的零件加工來說。

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，總體來說，由于激光吸收率對入射角有很強(qiáng)的依賴性，3D科學(xué)谷了解到不均勻的能量吸收會導(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(jìn)而引起激光能量吸收和蒸氣壓的波動。

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，例如帶來了熔池與蒸氣相互作用的凹陷漲落，從而帶來了氣流驅(qū)動的飛濺碰撞，氣體驅(qū)動的飛濺碰撞可導(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）。

此前市場上的研究工作通過優(yōu)化加工參數(shù)的努力提高對飛濺的控制，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)形成仍然是一個加工挑戰(zhàn)。

論文通過使用納米粒子來控制激光-粉末床的相互作用來消除大的飛濺物，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，納米粒子可以同時穩(wěn)定熔池波動和控制液滴聚結(jié)，從而消除所有類型的大飛濺物。

消除大飛濺

研究工作通過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 粉末床激光熔化過程中的飛濺動力學(xué)進(jìn)行比較，形成鮮明對比的是，添加了TiC的Al6061粉末床沒有觀察到大的飛濺。

通過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的缺陷顯著減少，3D科學(xué)谷了解到表面輪廓測量表明，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打印零件中未檢測到孔隙，并且有效的晶粒細(xì)化帶來了熱裂的消除。

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)的第一個機(jī)制是納米粒子穩(wěn)定了蒸汽抑制波動，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，類似于水的飛濺。然而，在 Al6061（添加4.4%TiC）的材料打印過程中，沒有觀察到液體破裂（甚至沒有液體突出）。

納米粒子可消除液體破裂

Nature Communication

隨著蒸汽壓降波動的減少，液體動量突然增加的驅(qū)動力（例如，蒸汽壓降的突然膨脹推動液體向上移動，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)]有足夠的液體動量，慣性壓力（即動能）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)的第二個機(jī)制是納米粒子在碰撞過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)域周圍的氣流密集且混亂，因此在 LPBF 過程中，粉末碰撞經(jīng)常發(fā)生。當(dāng)熔池中的兩個液體飛濺物發(fā)生碰撞時，兩個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，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。