供稿人：蔡江龍、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-12-03
激光粉末床熔融（LPBF）使用高能激光束選擇性將薄層金屬粉末熔化，從而將計算機輔助設(shè)計模型直接轉(zhuǎn)換為零件。小聚焦光束尺寸（約 50–100?μm）的高空間分辨率使LPBF能夠制造傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件，如圖 1a 所示，促使其在各個行業(yè)中不斷廣泛應(yīng)用（例如，航空航天、醫(yī)療、國防）。然而，粉末床的聚焦激光加熱會產(chǎn)生嚴(yán)重的工藝不穩(wěn)定性，當(dāng)高能激光束撞擊粉末床時，局部激光加熱會導(dǎo)致表面沸騰，形成強烈的蒸汽射流。蒸氣射流的高速向上蒸氣流將粉末和液滴噴射出去，形成飛濺物，從而導(dǎo)致形成各種缺陷，如圖 1b、c 所示。通過工藝優(yōu)化可以改變飛濺的數(shù)量，但不能消除大飛濺，因為調(diào)整加工參數(shù)不能改變激光與粉末床局部相互作用的內(nèi)在性質(zhì)，因此消除大飛濺物的隨機形成仍然是一個挑戰(zhàn)。
圖1. 納米顆粒消除 LPBF 中的大飛濺物
Minglei Qu等通過在Al6061合金粉末中添加4.4vol.%TiC納米顆粒成功消除了Al6061激光粉末床熔融過程中隨機形成的大飛濺物。原位高速X射線成像研究發(fā)現(xiàn)了兩種協(xié)同作用以抑制大飛濺形成的機制。第一個機制是納米顆粒穩(wěn)定了蒸氣壓降波動，從而消除了熔池中的液體破裂；第二個機制是納米顆粒在碰撞過程中阻止了液體飛濺物的聚結(jié)，從而消除了碰撞引起的大飛濺物（圖2）。大飛濺的消除使得打印樣件中的缺陷顯著減少。相比于Al6061，Al6061+4.4vol.%TiC的表面輪廓粗糙度（Ra）降低了90%，拉伸強度與T6熱處理后的變形Al6061相當(dāng)，伸長率提高33%；熱處理后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的抗拉強度比鍛造的 Al6061 高123 ±?13?MPa（42%），并且仍保持 7.9% ±?0.3% 的伸長率。
圖2. 納米顆粒防止飛濺聚結(jié)
局部激光-粉末床相互作用所固有的工藝不穩(wěn)定性導(dǎo)致激光粉末床熔融 (LPBF) 增材制造過程中形成各種缺陷。通過納米顆粒添加消除大飛濺物，使得打印樣件具有良好的一致性高表面精度和力學(xué)性能提升，為穩(wěn)定的金屬增材制造質(zhì)量控制提供了一條可行的途徑。