粉末床激光熔化一種備受關注的金屬3D打印技術，憑借在制造復雜性設計中的優勢，這一技術有望改變制造過程。然而這一技術尚未達到最佳的操作可靠性，其中的挑戰在于如何控制復雜的激光-粉末-熔池相互依賴性的動力學。
3D科學谷此前在《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）”，從而穩定熔池動力學并使缺陷最小化。本期谷.專欄，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制飛濺，減少鋁合金3D打印工藝的不穩定性。
相關論文以題目“3D printed nickel catalytic static mixers made by corrosive chemical treatment for use in continuous flow hydrogenation”發表在《Reaction Chemistry & Engineering》上。本期谷.專欄將分享這一科研成果。
鋁合金系列
3D科學谷白皮書
根據3D科學谷，3D打印邁向產業化的過程中遇到了一系列的難題，其中包括：通過信息管理系統來管理增材制造數據流；工藝可重復性、零件到零件的一致性；成熟的認證和質量檢測方法。可以說任何一個零件，要實現從0到1的3D打印，再實現從1到n的產業化生產，都需要經歷一個不斷突破的過程。
實現工藝可重復性
《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的研究作得到了美國國家科學基會和威斯康星學迪遜分校啟動基 （LC）的持。研究揭示了兩種機制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制消除了液體破裂引起的大飛濺；(2) 通過納米粒子對液滴聚結的控制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，為控制金屬增材制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科學谷了解到當高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱會導致表面沸騰，形成強烈的蒸汽射流。蒸汽射流產生的反沖壓力將熔體表面向下推，形成蒸汽凹陷（也稱為凹陷區或小孔）；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，并誘導周圍氣體流向激光束。
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，也是質量控制的一大挑戰，大飛濺可能導致嚴重的加工故障（例如，重涂機堵塞 、粉末床不均勻性、表面凹坑、成球、熔道變形 和3D打印產品中的缺陷（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 在各個行業中廣泛采用的突出障礙，特別是對于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生
Nature Communication
飛濺形成的原因有多種復雜因素的結合，總體來說，由于激光吸收率對入射角有很強的依賴性，3D科學谷了解到不均勻的能量吸收會導致不均勻的汽化，從而導致熔池表面（液-氣界面）上的反沖壓力不均勻。不均勻的反沖壓力引起液氣界面的波動，進而引起激光能量吸收和蒸氣壓的波動。
激光與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，例如帶來了熔池與蒸氣相互作用的凹陷漲落，從而帶來了氣流驅動的飛濺碰撞，氣體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為尺寸大于100 μm的飛濺）。
此前市場上的研究工作通過優化加工參數的努力提高對飛濺的控制，但還不能消除大飛濺，因為調整加工參數不能改變激光與粉末床局部相互作用的內在性質。此前，消除大飛濺物的隨機形成仍然是一個加工挑戰。
論文通過使用納米粒子來控制激光-粉末床的相互作用來消除大的飛濺物，從而使得3D打印具有良好一致性和增強性能的零件。3D科學谷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制液滴聚結，從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 射線成像用于表征 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，這主要是由于納米粒子的吸收率增強。為了確認這種結果不局限于某種工藝參數的設置，3D科學谷了解到研究人員在寬范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 25 ± 4 cm-2 的大飛濺物。
納米粒子的引入不僅使得大飛濺帶來的缺陷顯著減少，3D科學谷了解到表面輪廓測量表明，表面粗糙度 (Ra) 降低了 90%，從不添加納米粒子的Al6061的增材制造結果20 ± 3 μm 的表面粗糙度降低到 2.1 ± 0.2 μm。空間分辨率為 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，并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 納米顆粒消除液體破裂
為了揭示納米顆粒能夠消除大飛濺物的機制，研究人員進行了深入的原位高速 X 射線成像研究。發現了兩種協同作用以防止大飛濺形成的機制。
研究發現的第一個機制是納米粒子穩定了蒸汽抑制波動，從而消除了熔池中的液體破裂。模擬研究表明，液體破裂是由流體動量引起的慣性壓力克服表面張力引起的毛細壓力引起的，類似于水的飛濺。然而，在 Al6061（添加4.4%TiC）的材料打印過程中，沒有觀察到液體破裂（甚至沒有液體突出）。
納米粒子可消除液體破裂
Nature Communication
隨著蒸汽壓降波動的減少，液體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向上移動，將液體排出熔池而產生的飛濺）得到緩解。3D科學谷了解到沒有足夠的液體動量，慣性壓力（即動能）不能克服表面張力引起的毛細壓力，從而抑制了飛濺的產生。
I納米粒子消除液滴碰撞
研究發現的第二個機制是納米粒子在碰撞過程中阻止了液體飛濺物的聚結，從而消除了碰撞引起的大飛濺物。由于激光-粉末床相互作用區域周圍的氣流密集且混亂，因此在 LPBF 過程中，粉末碰撞經常發生。當熔池中的兩個液體飛濺物發生碰撞時，兩個飛濺物合并形成大飛濺物。碰撞引起的團聚是大飛濺物形成的主要機制，此前通過優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，液體飛濺物可以在碰撞后立即分離，碰撞的唯一后果是它們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，研究發現并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制激光-粉末床相互作用的不穩定性，從而消除大飛濺，這為穩定的金屬增材制造質量控制提供了一條可行的途徑。
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