首次監(jiān)測LPBF小孔-湍流特征，科學家對金屬3D打印缺陷成因提出新見解

導讀：激光粉末床熔合技術（LPBF）自發(fā)明以來，已被多次證明是一種優(yōu)秀的工業(yè)制造技術，它允許工程師能夠制造出其他工藝難以實現(xiàn)的復雜金屬幾何形狀。然而，該工藝并不完美，因為高功率激光束產(chǎn)生的熱量往往會導致部件中形成孔隙。這些缺陷不利于零件的密度，并導致結構的整體機械性能不佳。

在零件性能至關重要的關鍵行業(yè)，孔隙會對可打印的零件類型構成限制。因此，目前需要在3D打印中開發(fā)更好的缺陷檢測和消除技術。

2022年6月1日，南極熊獲悉，由赫瑞瓦特大學、卡內基-梅隆大學和阿貢國家實驗室的科學家組成的一個國際研究團隊利用先進的成像技術，對金屬3D打印過程中的材料狀態(tài)進行了觀測，深入研究金屬3D打印背后的基本物理變化。南極熊認為，這項工作會為了解打印部件缺陷的成因提供新的見解。

赫瑞瓦特大學光子學和量子科學研究所的副研究員Ioannis Bitharas博士解釋說："我們的研究將激光與金屬粒子相互作用時存在的所有物質狀態(tài)之間的相互作用可視化。"

△從熔池的匙孔射出的湍流隨時間的演變。圖片來自赫瑞瓦特大學

LPBF中的孔隙是如何形成的？

在金屬增材制造過程中，一束激光被應用于粉末材料的床層。這導致了一個被稱為熔池的小型熔融金屬池，粉末顆粒在這里融合在一起。

在熔池內，少量的金屬蒸發(fā)并壓迫液體，在熔池的中心形成一個空洞。這個空腔被稱為"匙孔"，如果它變得不穩(wěn)定，就會自行坍塌，導致3D打印部件中形成一個孔隙。

△與熔池動力學和小孔形成相關的物理機制的可視化

此外，在塌陷的情況下，蒸汽會從匙孔中向上射出，形成一個湍流。這可能會影響到粉末床中一些未融合的顆粒，可能會擾亂頂層材料。

Bitharas補充說："這種現(xiàn)象會造成散落在整個部件上的微小缺陷，對許多制造商來說，材料的孔隙率都是不可接受的。我們捕捉到的圖像首次提供了這種相互作用的完整圖像，我們現(xiàn)在可以肯定地告訴大家正在發(fā)生什么。"

△綜合圖像展示了熔池如何影響湍流的方向。圖片來自赫瑞瓦特大學。

結合X射線和分光鏡成像

研究小組使用X射線和分光鏡成像的組合來檢查和描述熔池中存在的氣體、蒸汽、液體和固體相之間的相互作用。

通過分析圖像，他們發(fā)現(xiàn)蒸汽湍流的行為對熔池鎖孔的整體穩(wěn)定性有直接影響。具體來說，蒸汽湍流越是動態(tài)和活躍，匙孔就越不穩(wěn)定，導致更多的孔隙。

Bitharas的團隊還發(fā)現(xiàn)，通過修改激光器的一些參數(shù)，如功率、光斑大小和掃描速度，他們可以充分控制湍流的動態(tài)和熔池的穩(wěn)定性。研究人員認為，他們是第一個可以監(jiān)測匙孔湍流過程特征的人，并期望他們的發(fā)現(xiàn)對航空航天、汽車和國防等部門有重大影響。

該研究的共同作者Andrew Moore教授補充說："迄今為止，研究的重點是根據(jù)液態(tài)金屬或顆粒的行為來檢測和預測缺陷，往往忽略了熔池上方產(chǎn)生的蒸汽噴射和湍流的影響。我們相信，這項工作將能夠創(chuàng)建改進的過程監(jiān)測和分析工具，以識別和防止金屬增材制造中的缺陷"。

這項研究的更多細節(jié)可以在題為 "激光粉末床熔融中汽、液、固三相的相互作用/The interplay between vapor, liquid, and solid phases in laserpowder bed fusion"的論文中找到。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

盡管缺陷預防很重要，但它只是金屬增材制造研究的一個領域。就在最近，來自清華大學和新加坡國立大學的研究人員調查了流體流動對金屬3D打印部件的機械性能的影響。仔細控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成對于調整最終的晶粒結構至關重要，但直到現(xiàn)在，熔池中的流體流動的影響還沒有被探索出來。

在其他地方，在塔林科技大學和愛沙尼亞生命科學大學，工程師們正在研究如何用3D打印技術來生產(chǎn)軟磁芯。到目前為止，打印磁芯一直是一個重大的挑戰(zhàn)，因為它很難保持磁芯的效率，但該團隊現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個基于激光的增材制造工作流程，他們聲稱可以制備出軟磁復合材料，并產(chǎn)生優(yōu)越的磁性能，。