高熔點(diǎn)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(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，能以中等產(chǎn)量生產(chǎn)高價(jià)值且?guī)缀涡螤顝?fù)雜的部件，但操作可靠性尚未達(dá)到最佳。其應(yīng)用所面臨的一個(gè)障礙是理解在光束加熱粉末的熔化逐層堆積過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象。例如在僅幾個(gè)顆粒厚的粉末層中的能量吸收問(wèn)題。為了解決在打印過(guò)程中隨機(jī)生成的缺陷、可重復(fù)地生產(chǎn)高質(zhì)量部件，迫切需要了解和控制激光工藝參數(shù)與復(fù)雜的粉末和熔池動(dòng)力學(xué)之間的相互依賴(lài)性。
近日，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Saad A. Khairallah和賴(lài)特-帕特森空軍基地空軍研究實(shí)驗(yàn)室等研究人員在《Science》上報(bào)道了一項(xiàng)在金屬3D打印過(guò)程中粉末動(dòng)力學(xué)與不銹鋼中缺陷形成關(guān)系的研究。對(duì)于金屬3D打印過(guò)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(dòng)力學(xué)與原位X射線同步加速器觀測(cè)相結(jié)合，觀察高分辨率打印過(guò)程中的飛濺事件，并將其與熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)模型耦合，還對(duì)“預(yù)燒結(jié)”粉末床進(jìn)行建模，以研究金屬3D打印過(guò)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(huì)使得顆粒移動(dòng)。需要使用X射線成像和建模來(lái)了解粒子運(yùn)動(dòng)與射束能量的關(guān)系。在粉末床打印中，電子或激光束按預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案重復(fù)地點(diǎn)熔可以形成金屬層。通常需要連續(xù)調(diào)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(jié)構(gòu)。在宏觀層面上，必須調(diào)整激光器的功率，光束形狀，掃描速度，脈沖持續(xù)時(shí)間以及掃描模式，以實(shí)現(xiàn)良好的局部熔化條件。在熔化處附近，激光束對(duì)粉末和打印基材的強(qiáng)烈加熱會(huì)產(chǎn)生蒸汽羽流，這些蒸汽羽流會(huì)導(dǎo)致顆粒“彈出”，遠(yuǎn)離加熱區(qū)域。
粉末以預(yù)燒結(jié)狀態(tài)初始化，防止由于負(fù)電荷在粉末上積累引起的靜電排斥使粉末運(yùn)動(dòng)。入射激光以100％的功率到達(dá)粉末床表面，并在反射時(shí)損失能量。在低功率（92 W）下，激光通過(guò)多次反射穿透粉末有效地沉積能量。因此在低功率下，相對(duì)于沒(méi)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(nèi)，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(tuán)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(tuán)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(tuán)簇?zé)o法完全熔化，因此該團(tuán)簇在111μm的高度處部分突出，這可能會(huì)造成散粉不均勻并降低制造質(zhì)量。當(dāng)排出的顆粒團(tuán)簇落在激光掃描路徑上時(shí)，團(tuán)簇破裂產(chǎn)生四個(gè)新飛濺位點(diǎn)。在未燒結(jié)的粉末床上，熔融的飛濺物可能會(huì)與疏松的粉末顆粒聚結(jié)并形成較大的團(tuán)簇，此過(guò)程可能會(huì)重復(fù)進(jìn)行。
激光功率大而短暫的變化會(huì)產(chǎn)生巨大的蒸氣后坐力。當(dāng)激光開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，光束前后會(huì)產(chǎn)生很大的壓差引起超大尺寸(~200μm）的后向飛濺。當(dāng)以132 W的恒定功率進(jìn)行掃描時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生后向飛濺，但是激光移動(dòng)速度（1m/s）接近臨界極限，這導(dǎo)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(huì)形成孔隙。在終點(diǎn)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(shí)間使表面變得光滑。激光突然關(guān)閉導(dǎo)致的快速冷卻生成了一個(gè)43um的冷凍凹陷。
作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(qū)逐狀態(tài)。這種對(duì)物理學(xué)的發(fā)展可以解決在金屬3D打印過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜現(xiàn)象。這樣的理解還可以幫助設(shè)計(jì)出專(zhuān)門(mén)針對(duì)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。
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