粉末床激光熔化一種備受關(guan) 注的金屬3D打印技術，憑借在製造複雜性設計中的優(you) 勢，這一技術有望改變製造過程。然而這一技術尚未達到最佳的操作可靠性，其中的挑戰在於(yu) 如何控製複雜的激光-粉末-熔池相互依賴性的動力學。

3D科學穀此前在《Science 最新研究！減少粉末床金屬3D打印中“飛濺”引起的質量缺陷》一文中分享過美國勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）等科研機構通過高保真度的仿真技術與(yu) 同步加速器實驗捕獲中納秒級的快速多瞬態動力學，開發了一種穩定性標準-“功率地圖（power map）”，從(cong) 而穩定熔池動力學並使缺陷最小化。本期穀.專(zhuan) 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製飛濺，減少鋁合金3D打印工藝的不穩定性。

相關(guan) 論文以題目“3D printed nickel catalytic static mixers made by corrosive chemical treatment for use in continuous flow hydrogenation”發表在《Reaction Chemistry & Engineering》上。本期穀.專(zhuan) 欄將分享這一科研成果。

鋁合金係列

3D科學穀白皮書(shu)

根據3D科學穀，3D打印邁向產(chan) 業(ye) 化的過程中遇到了一係列的難題，其中包括：通過信息管理係統來管理增材製造數據流；工藝可重複性、零件到零件的一致性；成熟的認證和質量檢測方法。可以說任何一個(ge) 零件，要實現從(cong) 0到1的3D打印，再實現從(cong) 1到n的產(chan) 業(ye) 化生產(chan) ，都需要經曆一個(ge) 不斷突破的過程。

實現工藝可重複性

《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的研究作得到了美國國家科學基會(hui) 和威斯康星學迪遜分校啟動基 （LC）的持。研究揭示了兩(liang) 種機製協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製消除了液體(ti) 破裂引起的大飛濺；(2) 通過納米粒子對液滴聚結的控製消除了液滴碰撞引起的大飛濺。論文發現納米粒子能夠同時穩定熔池波動和防止液滴聚結，為(wei) 控製金屬增材製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科學穀了解到當高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱會(hui) 導致表麵沸騰，形成強烈的蒸汽射流。蒸汽射流產(chan) 生的反衝(chong) 壓力將熔體(ti) 表麵向下推，形成蒸汽凹陷（也稱為(wei) 凹陷區或小孔）；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，並誘導周圍氣體(ti) 流向激光束。

大飛濺的隨機形成是 LPBF 工藝中不可預測的缺陷形成的主要原因，也是質量控製的一大挑戰，大飛濺可能導致嚴(yan) 重的加工故障（例如，重塗機堵塞 、粉末床不均勻性、表麵凹坑、成球、熔道變形 和3D打印產(chan) 品中的缺陷（例如，孔隙 、雜質）。由不可預測的飛濺帶來的缺陷引起的零件質量不一致是 LPBF 在各個(ge) 行業(ye) 中廣泛采用的突出障礙，特別是對於(yu) 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(chan) 生

Nature Communication

飛濺形成的原因有多種複雜因素的結合，總體(ti) 來說，由於(yu) 激光吸收率對入射角有很強的依賴性，3D科學穀了解到不均勻的能量吸收會(hui) 導致不均勻的汽化，從(cong) 而導致熔池表麵（液-氣界麵）上的反衝(chong) 壓力不均勻。不均勻的反衝(chong) 壓力引起液氣界麵的波動，進而引起激光能量吸收和蒸氣壓的波動。

激光與(yu) 熔池相互作用的能量導致了激光-粉床相互作用的強烈不穩定性，例如帶來了熔池與(yu) 蒸氣相互作用的凹陷漲落，從(cong) 而帶來了氣流驅動的飛濺碰撞，氣體(ti) 驅動的飛濺碰撞可導致大飛濺的形成（論文中的大飛濺定義(yi) 為(wei) 尺寸大於(yu) 100 μm的飛濺）。

此前市場上的研究工作通過優(you) 化加工參數的努力提高對飛濺的控製，但還不能消除大飛濺，因為(wei) 調整加工參數不能改變激光與(yu) 粉末床局部相互作用的內(nei) 在性質。此前，消除大飛濺物的隨機形成仍然是一個(ge) 加工挑戰。

論文通過使用納米粒子來控製激光-粉末床的相互作用來消除大的飛濺物，從(cong) 而使得3D打印具有良好一致性和增強性能的零件。3D科學穀了解到通過原位高速同步加速器 X 射線成像實驗表明，納米粒子可以同時穩定熔池波動和控製液滴聚結，從(cong) 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 射線成像用於(yu) 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進行比較，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，這主要是由於(yu) 納米粒子的吸收率增強。為(wei) 了確認這種結果不局限於(yu) 某種工藝參數的設置，3D科學穀了解到研究人員在寬範圍的工藝參數下進行了原位 X 射線成像實驗。在所研究的所有處理條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下，則出現了許多數量密度約為(wei) 25 ± 4 cm-2 的大飛濺物。

納米粒子的引入不僅(jin) 使得大飛濺帶來的缺陷顯著減少，3D科學穀了解到表麵輪廓測量表明，表麵粗糙度 (Ra) 降低了 90%，從(cong) 不添加納米粒子的Al6061的增材製造結果20 ± 3 μm 的表麵粗糙度降低到 2.1 ± 0.2 μm。空間分辨率為(wei) 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，並且有效的晶粒細化帶來了熱裂的消除。

微觀結構和性能

Nature Communication

I 納米顆粒消除液體(ti) 破裂

為(wei) 了揭示納米顆粒能夠消除大飛濺物的機製，研究人員進行了深入的原位高速 X 射線成像研究。發現了兩(liang) 種協同作用以防止大飛濺形成的機製。

研究發現的第一個(ge) 機製是納米粒子穩定了蒸汽抑製波動，從(cong) 而消除了熔池中的液體(ti) 破裂。模擬研究表明，液體(ti) 破裂是由流體(ti) 動量引起的慣性壓力克服表麵張力引起的毛細壓力引起的，類似於(yu) 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(ti) 破裂（甚至沒有液體(ti) 突出）。

納米粒子可消除液體(ti) 破裂

Nature Communication

隨著蒸汽壓降波動的減少，液體(ti) 動量突然增加的驅動力（例如，蒸汽壓降的突然膨脹推動液體(ti) 向上移動，將液體(ti) 排出熔池而產(chan) 生的飛濺）得到緩解。3D科學穀了解到沒有足夠的液體(ti) 動量，慣性壓力（即動能）不能克服表麵張力引起的毛細壓力，從(cong) 而抑製了飛濺的產(chan) 生。

I納米粒子消除液滴碰撞

研究發現的第二個(ge) 機製是納米粒子在碰撞過程中阻止了液體(ti) 飛濺物的聚結，從(cong) 而消除了碰撞引起的大飛濺物。由於(yu) 激光-粉末床相互作用區域周圍的氣流密集且混亂(luan) ，因此在 LPBF 過程中，粉末碰撞經常發生。當熔池中的兩(liang) 個(ge) 液體(ti) 飛濺物發生碰撞時，兩(liang) 個(ge) 飛濺物合並形成大飛濺物。碰撞引起的團聚是大飛濺物形成的主要機製，此前通過優(you) 化工藝條件或調整合金成分很難克服。然而，研究發現在 Al6061（添加4.4%TiC）的材料打印過程中，液體(ti) 飛濺物可以在碰撞後立即分離，碰撞的唯一後果是它們(men) 的移動方向和速度的變化。

納米粒子防止飛濺聚結

Nature Communication

總之，研究發現並證明了納米粒子通過同時穩定熔池波動和防止液滴聚結來控製激光-粉末床相互作用的不穩定性，從(cong) 而消除大飛濺，這為(wei) 穩定的金屬增材製造質量控製提供了一條可行的途徑。