首次监测LPBF小孔-湍流特征，科学家对金属3D打印缺陷成因提出新见解

颗粒在线讯：激光粉末床熔合技术（LPBF）自发明以来，已被多次证明是一种优秀的工业制造技术，它允许工程师能够制造出其他工艺难以实现的复杂金属几何形状。然而，该工艺并不完美，因为高功率激光束产生的热量往往会导致部件中形成孔隙。这些缺陷不利于零件的密度，并导致结构的整体机械性能不佳。

在零件性能至关重要的关键行业，孔隙会对可打印的零件类型构成限制。因此，目前需要在3D打印中开发更好的缺陷检测和消除技术。

2022年6月1日，由赫瑞瓦特大学、卡内基-梅隆大学和阿贡国家实验室的科学家组成的一个国际研究团队利用先进的成像技术，对金属3D打印过程中的材料状态进行了观测，深入研究金属3D打印背后的基本物理变化。这项工作会为了解打印部件缺陷的成因提供新的见解。

赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所的副研究员Ioannis Bitharas博士解释说："我们的研究将激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用可视化。"

△从熔池的匙孔射出的湍流随时间的演变。图片来自赫瑞瓦特大学

LPBF中的孔隙是如何形成的？

在金属增材制造过程中，一束激光被应用于粉末材料的床层。这导致了一个被称为熔池的小型熔融金属池，粉末颗粒在这里融合在一起。

在熔池内，少量的金属蒸发并压迫液体，在熔池的中心形成一个空洞。这个空腔被称为"匙孔"，如果它变得不稳定，就会自行坍塌，导致3D打印部件中形成一个孔隙。

△与熔池动力学和小孔形成相关的物理机制的可视化

此外，在塌陷的情况下，蒸汽会从匙孔中向上射出，形成一个湍流。这可能会影响到粉末床中一些未融合的颗粒，可能会扰乱顶层材料。

Bitharas补充说："这种现象会造成散落在整个部件上的微小缺陷，对许多制造商来说，材料的孔隙率都是不可接受的。我们捕捉到的图像首次提供了这种相互作用的完整图像，我们现在可以肯定地告诉大家正在发生什么。"

△综合图像展示了熔池如何影响湍流的方向。图片来自赫瑞瓦特大学。

结合X射线和分光镜成像

研究小组使用X射线和分光镜成像的组合来检查和描述熔池中存在的气体、蒸汽、液体和固体相之间的相互作用。

通过分析图像，他们发现蒸汽湍流的行为对熔池锁孔的整体稳定性有直接影响。具体来说，蒸汽湍流越是动态和活跃，匙孔就越不稳定，导致更多的孔隙。

Bitharas的团队还发现，通过修改激光器的一些参数，如功率、光斑大小和扫描速度，他们可以充分控制湍流的动态和熔池的稳定性。研究人员认为，他们是第一个可以监测匙孔湍流过程特征的人，并期望他们的发现对航空航天、汽车和国防等部门有重大影响。

该研究的共同作者Andrew Moore教授补充说："迄今为止，研究的重点是根据液态金属或颗粒的行为来检测和预测缺陷，往往忽略了熔池上方产生的蒸汽喷射和湍流的影响。我们相信，这项工作将能够创建改进的过程监测和分析工具，以识别和防止金属增材制造中的缺陷"。

这项研究的更多细节可以在题为 "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"的论文中找到。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

尽管缺陷预防很重要，但它只是金属增材制造研究的一个领域。就在最近，来自清华大学和新加坡国立大学的研究人员调查了流体流动对金属3D打印部件的机械性能的影响。仔细控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成对于调整最终的晶粒结构至关重要，但直到现在，熔池中的流体流动的影响还没有被探索出来。

在其他地方，在塔林科技大学和爱沙尼亚生命科学大学，工程师们正在研究如何用3D打印技术来生产软磁芯。到目前为止，打印磁芯一直是一个重大的挑战，因为它很难保持磁芯的效率，但该团队现在已经提出了一个基于激光的增材制造工作流程，他们声称可以制备出软磁复合材料，并产生优越的磁性能，。