近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員開發了一種新型激光粉末床融合(PBF-LB)工藝。據研究團隊表示，該工藝可以有效降低金屬增材製造零件生產(chan) 過程中的缺陷生成，例如孔隙和裂縫。

研究團隊包括該校的機械工程教授Lianyi Chen和博士生Luis Escano、Minglei Qu，研究結果發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上，Qu是該研究的第一作者。

Lianyi Chen（左）和博士生 Luis Escano 和 Minglei Qu（右）開發了一種新型 PBF-LB 工藝，以減少增材製造零件的缺陷（由 Renee Miller/威斯康星大學麥迪遜分校提供）

該工藝使用陶瓷納米顆粒控製增材製造過程中的不穩定性。研究小組解釋說，在PBF-LB工藝中，激光熔化了薄薄的金屬粉末層，然後材料冷卻形成成品金屬部件。然而，當激光與(yu) 粉末材料相互作用時，粉末表麵加熱到沸騰溫度並產(chan) 生熱蒸汽。

這種汽化會(hui) 產(chan) 生壓力，向下推動熔化材料池，導致液滴濺出。這些液滴會(hui) 在增材製造零件中造成不可預測的缺陷，並且液滴還可以合並形成更大的液滴，從(cong) 而在增材製造過程中產(chan) 生更多問題並導致不合格的零件。

研究團隊通過用陶瓷納米粒子塗覆金屬粉末，可以控製加工過程的不穩定性。利用高速同步加速器X射線成像和理論分析，他們(men) 發現納米顆粒塗層穩定了熔池，防止液滴噴出並形成更大的飛濺物。

“使用金屬3D打印，我們(men) 無法始終如一地生產(chan) 出與(yu) 傳(chuan) 統方法相同的高質量和可靠性部件，我們(men) 擔心將3D打印部件用於(yu) 關(guan) 鍵或承重應用，都不是一個(ge) 很好的選擇，”Lianyi Chen說，“質量問題始終成為(wei) 大範圍應用金屬3D打印的最大障礙。”

“我們(men) 展示了一種通過使金屬3D打印技術更加可靠來解決(jue) 質量問題的潛在方法，使其能夠生產(chan) 出一致性和無缺陷的零件，”Chen繼續說道，“使用我們(men) 獨特的方法，能夠打印出不含有缺陷的金屬部件，並且質量與(yu) 現成的商業(ye) 製造部件相媲美。”

除了為(wei) 增材製造帶來的可能性外，Chen指出，這一發展可能會(hui) 導致廣泛應用的改進，包括激光拋光、激光熔覆、焊接、鑄造、流體(ti) 穩定性控製等。“當引入納米粒子時，我們(men) 發現它們(men) 使液滴在表麵幾乎有一層‘盔甲’，因此當它們(men) 碰撞時不會(hui) 融合在一起，”Minglei Qu評論道，“這也是我們(men) 第一次擺脫金屬3D打印中的飛濺問題。”

據該校官網信息，目前Lianyi Chen教授的研究項目包括電子束熔化過程的動力學和機理、激光粉末床熔融增材製造中熔池振蕩和飛濺物形成的物理機製、表征激光金屬沉積增材製造工藝的動力學、通過建模和實驗揭示金屬增材製造中晶粒細化的機理等。

與(yu) PBF-LB一樣，電子束粉末床融合(Electron beam powder bed fusion)也是一種金屬增材製造技術，它具有製造複雜金屬零件的能力，而這些金屬零件通過傳(chuan) 統製造方法卻無法實現。該技術具有廣泛應用，從(cong) 製造噴氣發動機渦輪葉片的3D打印鋁化鈦到創建個(ge) 性化的生物醫學植入物和假肢。

在此前的研究中，Chen就曾表示，如果沒有很好地了解過程動力學，就不知道零件製造過程中缺陷的形成機理。這在很大程度上阻礙了電子束粉末床融合技術在工業(ye) 中的發展和采用。

Chen領導的研究團隊旨在顯著提高對電子束粉末床融合過程的測量和理解。該研究將提高美國製造商利用這項技術大批量生產(chan) 高質量、創新和複雜產(chan) 品的能力。美國國家標準與(yu) 技術研究院(NIST)提供的為(wei) 期兩(liang) 年、價(jia) 值100萬(wan) 美元的資金正在支持該項目。

在Chen領導的研究項目中，電子束粉末床融合工藝包括使用電子束在真空下將粉末金屬熔化並融合在一起，以逐層構建3D零件。在電子束將一層金屬粉末熔化到產(chan) 品上後，一層新的薄金屬粉末敷在粉末床的工作區域上，以構建下一層產(chan) 品。

為(wei) 了現場監測粉末床表麵下方的過程動態，研究人員開發一個(ge) 測試平台並使用高速X射線成像/衍射來量化動態過程。當電子束與(yu) 粉末材料相互作用時，會(hui) 在相互作用區上方的區域產(chan) 生高溫並形成熱蒸汽。了解蒸汽的特性很重要，因為(wei) 汽化會(hui) 影響熔池，影響吸收並改變合金成分。然而，汽化過程發生得非常快，這讓監測變得具有挑戰性。

為(wei) 了應對這一挑戰，機械工程教授Scott Sanders首次利用各種激光和光學技術來測量蒸汽的特性，包括溫度和氣體(ti) 的成分。他表示，很長一段時間以來，我們(men) 一直在應用光學研究燃燒過程中的熱氣。因此，實質上是在將這些專(zhuan) 業(ye) 知識用於(yu) 不同的應用，其中就包括增材製造工藝。