美國LLNL國傢實驗室/空軍研究實驗室:3D打印常有缺陷生成?粉末動力學幫助解惑

高熔點金屬材料的增材制造(3D打印)方法在航空航天和生物醫學領域中已經得到瞭廣泛的應用,能以中等產量生產高價值且幾何形狀復雜的部件,但操作可靠性尚未達到最佳。其應用所面臨的一個障礙是理解在光束加熱粉末的熔化逐層堆積過程中所發生的現象。例如在僅幾個顆粒厚的粉末層中的能量吸收問題。為瞭解決在打印過程中隨機生成的缺陷、可重復地生產高質量部件,迫切需要瞭解和控制激光工藝參數與復雜的粉末和熔池動力學之間的相互依賴性。

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近日,美國勞倫斯·利弗莫爾國傢實驗室的Saad A. Khairallah和賴特-帕特森空軍基地空軍研究實驗室等研究人員在《Science》上報道瞭一項在金屬3D打印過程中粉末動力學與不銹鋼中缺陷形成關系的研究。對於金屬3D打印過程中液滴或粉末顆粒從熔池中排出所形成的“飛濺”,作者使用粉末動力學與原位X射線同步加速器觀測相結合,觀察高分辨率打印過程中的飛濺事件,並將其與熱力學和流體動力學模型耦合,還對“預燒結”粉末床進行建模,以研究金屬3D打印過程中粉末顆粒尺度的能量吸收現象。

金屬3D打印需要高能激光束或電子束熔化粉末顆粒,這會使得顆粒移動。需要使用X射線成像和建模來瞭解粒子運動與射束能量的關系。在粉末床打印中,電子或激光束按預先設計的圖案重復地點熔可以形成金屬層。通常需要連續調整打印工藝參數,以在打印部件的區域獲得所需的材料結構。在宏觀層面上,必須調整激光器的功率,光束形狀,掃描速度,脈沖持續時間以及掃描模式,以實現良好的局部熔化條件。在熔化處附近,激光束對粉末和打印基材的強烈加熱會產生蒸汽羽流,這些蒸汽羽流會導致顆粒“彈出”,遠離加熱區域。

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圖1. 移動激光束局部熔化粉末床,逐層建立部件。根據工藝參數的不同,飛濺物可以噴射到熔融區域。在凝固過程中,飛濺顆粒落在熔池的頂部,並從顆粒的碰撞點開始形成具有不同晶粒取向的二次凝固。

粉末以預燒結狀態初始化,防止由於負電荷在粉末上積累引起的靜電排斥使粉末運動。入射激光以100%的功率到達粉末床表面,並在反射時損失能量。在低功率(92 W)下,激光通過多次反射穿透粉末有效地沉積能量。因此在低功率下,相對於沒有粉末的平板,粉末的存在可以提高激光吸收率。但是隨著功率接近200 W,吸收率數據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,激光與粉末的相互作用變得不那麼明顯。

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圖2. 復雜的激光粉末吸收率。(A)顯示瞭平板激光吸收率從低功率到高功率的轉變。(B)模擬熔池深度和功率之間的線性關系。(C和D)激光-粉末-熔池的相互作用。

較高功率(300W)的激光使懸浮在粉末床上方的顆粒團簇表面沸騰形成熔融球體,並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簇上表面沸騰,並在後坐力作用下將其壓入熔池中,使熔池深度降低90%。由於傳遞的熱量較少,偏離中心的團簇無法完全熔化,因此該團簇在111μm的高度處部分突出,這可能會造成散粉不均勻並降低制造質量。當排出的顆粒團簇落在激光掃描路徑上時,團簇破裂產生四個新飛濺位點。在未燒結的粉末床上,熔融的飛濺物可能會與疏松的粉末顆粒聚結並形成較大的團簇,此過程可能會重復進行。

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圖3. 由於激光驅逐,自我復制和遮蔽機制而導致的飛濺缺陷。(A)高激光功率驅逐顆粒團簇。(B)低功率比較表明,團簇會扭曲激光軌跡,從而導致熔合缺陷。(C)自復制效應發生時,激光照射到團簇部位的俯視圖。(D)在低功率下偏離中心的團簇部分熔化。(E)由於飛濺物阻擋激光而形成的小孔(3μm)。(F)由於激光遮蔽而導致的熔池深度增加。

激光功率大而短暫的變化會產生巨大的蒸氣後坐力。當激光開始移動時,光束前後會產生很大的壓差引起超大尺寸(~200μm)的後向飛濺。當以132 W的恒定功率進行掃描時沒有產生後向飛濺,但是激光移動速度(1m/s)接近臨界極限,這導致瞭更熱,更不穩定,更深的熔池。並且由於氣液界面處的溫差大,在起始處會形成孔隙。在終點處功率圖顯示的功率下降使凹陷處保持液態,這給瞭表面張力時間使表面變得光滑。激光突然關閉導致的快速冷卻生成瞭一個43um的冷凍凹陷。

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圖4. 穩定性標準,用於控制起始飛濺,孔隙和終點凍結凹陷。(A)模擬和原位X射線實驗對Ti-6Al-4V進行“空中寫作“掃描。(B)在模擬中實施的一般穩定性標準。(C)132 W的恒定功率激光掃描。(D)與(C)相比,功率圖(B)可以實現穩定的熔池動力學。(E)由(C)中的熔池瞬態動力學引起的起點和終點的缺陷。(F)凍結凹陷不是系統特定的。(G)功率圖策略可防止孔隙缺陷,並在終點處產生平滑的表面。

作者開發瞭一個宏觀模型,可以根據激光功率和激光掃描速度繪制粉末驅逐狀態。這種對物理學的發展可以解決在金屬3D打印過程中發生的復雜現象。這樣的理解還可以幫助設計出專門針對金屬3D打印的新型合金,從而拓展目前有限的可打印金屬材料。

全文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/660

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