研究人员对激光束粉末床熔融3D打印中的收缩孔隙率提出新的解释

2024年２月27日，南极熊获悉，卡内基梅隆大学和匹兹堡大学的研究人员宣称，针对激光束粉末床熔融（PBF-LB）收缩孔隙缺陷问题提出了一种新的理论。

△该研究已在Acta Materialia杂志上发表，题目为“激光粉末床熔融增材制造中收缩孔隙率的机械解释”（传送门）

研究背景

研究人员本打算仔细研究PBF-LB工艺参数如何影响微观结构，却意外发现了在该工艺中被忽视的制造缺陷。

收缩孔隙是金属铸造中常见的缺陷，通常在金属从液体转变为固体时形成。在传统金属铸件中，Niyama准则可用于准确预测缩松的形成。然而，此前尚未探索过将这种方法用于PBF-LB。此外，在这项研究之前，还没有已知的启发式方法，可以准确预测激光束粉末床熔融3D打印中的收缩孔隙率。

研究人员通过微观结构表征和分析传热模型，成功为PBF-LB 3D打印中收缩孔隙的形成提供了新的解释。

经过研究，研究团队发现Niyama准则在有效预测金属3D打印过程中缩孔的发生方面存在局限。此外，研究发现激光功率、扫描速度和沉积温度等3D打印工艺参数直接影响收缩孔隙率。

结论表明，基于凝固冷却速率的新模型，可以可靠地预测PBF-LB增材制造中的缩孔率。该团队还发布了收缩孔隙率流程图，可通过调整3D打印参数来降低收缩孔隙率。

卡内基梅隆大学机械工程系助理教授Sneha Prabha Narra表示：“这是首次有人基于凝固和L-PBF加工原理来解释缩孔的发生。我们还能够将其映射为加工条件的函数，并以研究人员和工程师易于理解的形式呈现这些信息。这一成果得益于项目的跨学科和协作性质。”

△收缩孔隙率研究的图形摘要

克服LB-PBF中的收缩孔隙率

在金属冷却和凝固时，由于体积收缩，可能会出现缩孔现象。如果这种收缩没有被剩余的液态金属填补，由于金属流动路径被凝固的微观结构堵塞，最终的部件可能会出现多孔缺陷。这种缺陷会影响机械性能，导致泄漏，并最终降低金属部件的功能和可靠性。

在逐层PBF-LB 3D打印过程中，如果这些缩孔出现在表面附近，可以通过重熔或在3D打印后的加工中去除。然而，如果孔隙形成于金属深处，则无法去除。

研究合著者Frieden Templeton解释道：“这些缺陷发生在微观结构的尺度上，如果你没有预料到它们，真的很难发现。使用光学显微镜，它们通常看起来像小的抛光划痕。”

通过研究，科学家们发现PBF-LB中的缩孔主要是由二次枝晶臂生长驱动的，二次枝晶臂生长是在金属微观结构凝固时发生的。

在测试过程中，研究人员在一系列激光功率、扫描速度和沉积温度下，使用EOS M 290 3D打印机打印了大量PBF-LB合金718零件。然后，将结果添加到数据集中，用于调查零件质量。

研究小组发现，收缩孔隙的严重程度与某些3D打印加工条件（例如激光功率、扫描速度和沉积温度）之间存在明显的相关性。随着温度和激光功率的增加以及扫描速度的降低，缩孔变得更加严重，并且在熔池中形成得更深。

利用这些发现，研究人员在他们的研究结果中展示了收缩孔隙率过程图。这些可以在金属增材制造的工艺设计和控制阶段加以利用，使制造商能够通过3D打印参数来减少和防止缩孔。

Templeton补充道：“这将对研究人员和制造商产生特别大的影响，因为他们正致力于开发工艺参数，以便在接近 500°C 的高温下进行打印，以及打印易受局部温度升高影响的复杂几何形状。”

△凝固金属中收缩孔隙形成的图示

研究增强粉末床熔融3D打印技术

德国弗劳恩霍夫应用研究院L-PBF负责人Philipp Kohlwes解释了激光束成型研究，将如何提高３D打印工艺40％的稳定性。

根据Kohlwes的说法，传统激光器的高斯曲线会造成能量分布不均，中间能量过多。这可能导致材料汽化或在熔池周围产生压力梯度，从而造成飞溅。激光的加热过程还会在光束路径周围产生电流，将半烧结颗粒拉回熔池。

为了克服这些挑战，Kohlwes解释了如何创建不同形状的激光束，以实现更均匀的能量分布。例如，“甜甜圈形轮廓”可以使熔池中的温度分布更加一致。更均匀的能量输入最终会在熔池中产生更多能量。这就在保持工艺稳定性的同时，提高了生产率，降低了成本。

Kohlwes在强调光束成型研究所带来的潜力时说：“激光光束轮廓与相应应用的匹配度越高，能量输入和相关工艺的稳定性就越好。”