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

導(dǎo)讀：激光粉末床熔合技術(shù)（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(shù)，它允許工程師能夠制造出其他工藝難以實現(xiàn)的復(fù)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(dǎo)致部件中形成孔隙。這些缺陷不利于零件的密度，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械性能不佳。

在零件性能至關(guān)重要的關(guān)鍵行業(yè)，孔隙會對可打印的零件類型構(gòu)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(shù)。

2022年6月1日，南極熊獲悉，由赫瑞瓦特大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)和阿貢國家實驗室的科學(xué)家組成的一個國際研究團(tuán)隊利用先進(jìn)的成像技術(shù)，對金屬3D打印過程中的材料狀態(tài)進(jìn)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(rèn)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(xué)光子學(xué)和量子科學(xué)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(zhì)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(xué)

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(yīng)用于粉末材料的床層。這導(dǎo)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(nèi)，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(dǎo)致3D打印部件中形成一個孔隙。

△與熔池動力學(xué)和小孔形成相關(guān)的物理機(jī)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(xué)。

結(jié)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(dǎo)致更多的孔隙。

Bitharas的團(tuán)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(rèn)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(yù)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(jìn)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(xì)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(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

盡管缺陷預(yù)防很重要，但它只是金屬增材制造研究的一個領(lǐng)域。就在最近，來自清華大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的研究人員調(diào)查了流體流動對金屬3D打印部件的機(jī)械性能的影響。仔細(xì)控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成對于調(diào)整最終的晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)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(xué)和愛沙尼亞生命科學(xué)大學(xué)，工程師們正在研究如何用3D打印技術(shù)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(tuán)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(fù)合材料，并產(chǎn)生優(yōu)越的磁性能，。