高熔點金屬材料的增材制造（3D打印）方法在航空航天和生物醫(yī)學領域中已經(jīng)得到了廣泛的應用，能以中等產(chǎn)量生產(chǎn)高價值且?guī)缀涡螤顝碗s的部件，但操作可靠性尚未達到最佳。其應用所面臨的一個障礙是理解在光束加熱粉末的熔化逐層堆積過程中所發(fā)生的現(xiàn)象。例如在僅幾個顆粒厚的粉末層中的能量吸收問題。為了解決在打印過程中隨機生成的缺陷、可重復地生產(chǎn)高質量部件，迫切需要了解和控制激光工藝參數(shù)與復雜的粉末和熔池動力學之間的相互依賴性。
近日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的Saad A. Khairallah和賴特-帕特森空軍基地空軍研究實驗室等研究人員在《Science》上報道了一項在金屬3D打印過程中粉末動力學與不銹鋼中缺陷形成關系的研究。對于金屬3D打印過程中液滴或粉末顆粒從熔池中排出所形成的“飛濺”，作者使用粉末動力學與原位X射線同步加速器觀測相結合，觀察高分辨率打印過程中的飛濺事件，并將其與熱力學和流體動力學模型耦合，還對“預燒結”粉末床進行建模，以研究金屬3D打印過程中粉末顆粒尺度的能量吸收現(xiàn)象。
金屬3D打印需要高能激光束或電子束熔化粉末顆粒，這會使得顆粒移動。需要使用X射線成像和建模來了解粒子運動與射束能量的關系。在粉末床打印中，電子或激光束按預先設計的圖案重復地點熔可以形成金屬層。通常需要連續(xù)調整打印工藝參數(shù)，以在打印部件的區(qū)域獲得所需的材料結構。在宏觀層面上，必須調整激光器的功率，光束形狀，掃描速度，脈沖持續(xù)時間以及掃描模式，以實現(xiàn)良好的局部熔化條件。在熔化處附近，激光束對粉末和打印基材的強烈加熱會產(chǎn)生蒸汽羽流，這些蒸汽羽流會導致顆粒“彈出”，遠離加熱區(qū)域。
粉末以預燒結狀態(tài)初始化，防止由于負電荷在粉末上積累引起的靜電排斥使粉末運動。入射激光以100％的功率到達粉末床表面，并在反射時損失能量。在低功率（92 W）下，激光通過多次反射穿透粉末有效地沉積能量。因此在低功率下，相對于沒有粉末的平板，粉末的存在可以提高激光吸收率。但是隨著功率接近200 W，吸收率數(shù)據(jù)的重疊表明粉末的作用降低。在高功率（365 W）下，光束中心在熔池的頂部，激光集中在凹陷內，激光與粉末的相互作用變得不那么明顯。
較高功率（300W）的激光使懸浮在粉末床上方的顆粒團簇表面沸騰形成熔融球體，并將其加速逐出激光掃描路徑。較低功率（150W）的激光僅能使顆粒團簇上表面沸騰，并在后坐力作用下將其壓入熔池中，使熔池深度降低90％。由于傳遞的熱量較少，偏離中心的團簇無法完全熔化，因此該團簇在111μm的高度處部分突出，這可能會造成散粉不均勻并降低制造質量。當排出的顆粒團簇落在激光掃描路徑上時，團簇破裂產(chǎn)生四個新飛濺位點。在未燒結的粉末床上，熔融的飛濺物可能會與疏松的粉末顆粒聚結并形成較大的團簇，此過程可能會重復進行。
激光功率大而短暫的變化會產(chǎn)生巨大的蒸氣后坐力。當激光開始移動時，光束前后會產(chǎn)生很大的壓差引起超大尺寸(~200μm）的后向飛濺。當以132 W的恒定功率進行掃描時沒有產(chǎn)生后向飛濺，但是激光移動速度（1m/s）接近臨界極限，這導致了更熱，更不穩(wěn)定，更深的熔池。并且由于氣液界面處的溫差大，在起始處會形成孔隙。在終點處功率圖顯示的功率下降使凹陷處保持液態(tài)，這給了表面張力時間使表面變得光滑。激光突然關閉導致的快速冷卻生成了一個43um的冷凍凹陷。
作者開發(fā)了一個宏觀模型，可以根據(jù)激光功率和激光掃描速度繪制粉末驅逐狀態(tài)。這種對物理學的發(fā)展可以解決在金屬3D打印過程中發(fā)生的復雜現(xiàn)象。這樣的理解還可以幫助設計出專門針對金屬3D打印的新型合金，從而拓展目前有限的可打印金屬材料。
全文鏈接：
