《Nature》子刊：通过纳米颗粒减少3D打印缺陷，提高工艺稳定性

来源：材料科学与工程

在激光粉末床熔融（LPBF）增材制造过程中，激光—粉末床局部相互作用固有的过程不稳定性易导致各种缺陷的形成。特别是大飞溅的随机形成，会导致打件中不可预测的缺陷。

在此，来自美国威斯康星大学麦迪孙分校的Lianyi Chen等研究者，报告了通过使用纳米颗粒控制激光-粉末床相互作用的不稳定性来消除大的飞溅。通过消除大量的飞溅，3D打印出的样品具有良好的一致性和增强的性能。研究人员发现了两种机制协同工作，以消除所有类型的大飞溅：（1）纳米颗粒控制熔池波动，消除液体破裂引起的大飞溅；（2） 通过纳米颗粒控制液滴聚合，消除了液滴碰撞引起的大飞溅。纳米颗粒能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，这为实现无缺陷金属增材制造提供了一种潜在的方法。

相关论文以题为“Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2

激光粉床熔合(LPBF)是利用聚焦的高能激光束选择性地熔化薄层金属粉末，直接将计算机辅助设计模型转化为零件。聚焦束尺寸小(约50 100米)带来的高空间分辨率，使LPBF能够制造传统制造方法无法实现的复杂几何形状的金属零件，如图1a所示，这有可能彻底改变许多行业(如航空航天、医疗、国防)。然而，粉末床的激光聚焦加热会产生严重的工艺不稳定性，从而导致各种缺陷的形成，如图1b, c所示。当高能激光束撞击到粉末层上时，激光局部加热引起表面沸腾，形成强烈的蒸汽射流。蒸汽喷射产生的反冲压力将熔体表面向下推，形成蒸气压降(也称为压降区或锁孔)；蒸汽射流的高速向上的蒸汽流将粉末和液滴喷射出来形成飞溅，并诱导周围的气体流向激光束，造成粉末夹带。

图1 纳米颗粒消除LPBF中的大飞溅。

由于激光吸收率对入射角的强烈依赖性，非均匀能量吸收导致非均匀汽化，从而在熔池表面(液气界面)产生非均匀反冲压力。非均匀反冲压力引起液气界面的波动，进而引起激光能量吸收和蒸汽压的波动。相互支持的能量吸收波动和液体表面波动导致了激光-粉末床相互作用的强烈不稳定性，如熔池/气相抑制波动和气相流驱动的飞溅碰撞。蒸汽压降波动导致熔池中液体破裂，气驱飞溅碰撞可形成较大的飞溅(此处定义为大于100 μm的飞溅)。

大型溅的随机形成的主要原因是不可预知LPBF过程中缺陷的形成和质量控制一个巨大的挑战，因为它可能导致关键处理故障(例如，重新涂堵塞，粉床不均匀，表面坑，球磨机，融化跟踪失真)，打印件缺陷(例如,缺乏熔合气孔、夹杂物)。由于不可预测的缺陷导致的零件质量不一致，是LPBF在各个行业广泛应用的最大障碍，特别是在关键任务应用中。

由于工艺参数的调整，并不能改变激光与粉床局部相互作用的本质，以往优化工艺条件的努力可以改变溅射量，但不能消除较大的溅射。消除大飞溅的随机形成，仍然是一个挑战。

在此，研究者报告了通过使用纳米颗粒控制激光-粉末床相互作用的不稳定性来消除大的飞溅。消除大飞溅导致缺陷精益样品的3D打印，具有良好的一致性和增强的性能。研究发现，两种机制协同作用，可以消除各种类型的大飞溅现象：(1)纳米颗粒控制熔池波动消除了液体破裂引起的大飞溅现象；(2)纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。该研究发现的纳米颗粒，能够同时稳定熔池波动和防止液滴凝聚，为实现缺陷精益金属添加剂制造提供了一条潜在的途径。

图2 微组织和性能。

图3 纳米颗粒消除液体破裂。

图4 纳米颗粒防止飞溅聚结。

综上所述，研究者发现并证明了纳米粒子，通过稳定熔池波动和防止液滴凝聚来控制激光-粉末床相互作用的不稳定性，从而消除了大的飞溅，并打印出一致性好、性能增强的少缺陷甚至无缺陷样品。纳米粒子控制激光-物质相互作用的不稳定性，为减少金属增材制造缺陷提供了一条可行的途径。