打破裂微小氣泡，金屬無(wú)孔隙3D打印

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：先進(jìn)光子源（APS）的新研究表明，3D打印金屬零件，沒(méi)有削弱其結(jié)構(gòu)完整性的氣孔，不僅有可能實(shí)現(xiàn)，而且不需要額外的設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)。

激光粉末床融合(LPBF)是一種3D打印技術(shù)(也稱為增材制造)，它可以直接從數(shù)字模型中打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統(tǒng)制造路線的設(shè)計(jì)限制，這有可能徹底改變生物醫(yī)學(xué)、航空航天和國(guó)防工業(yè)。然而，由LPBF印刷的零件通常比由常規(guī)方法制造的零件包含更多的孔這嚴(yán)重阻礙了它們的應(yīng)用，因?yàn)闅饪资菍?dǎo)致零件失效的最有害的缺陷之一。

許多機(jī)制可導(dǎo)致在印刷過(guò)程中在熔體池中形成孔(例如，來(lái)自原料粉末的孔轉(zhuǎn)移、印刷過(guò)程中凹陷區(qū)的不穩(wěn)定性、揮發(fā)性元素的蒸發(fā)、氣體沉淀)。浮力不能有效地消除熔池中的軟管孔，浮力是一種從液體中消除孔的常用機(jī)制，因?yàn)樵贚PBF工藝中強(qiáng)勁的熔體流動(dòng)所引起的高阻力將孔捕獲在熔池中 。因此，在印刷零件中普遍觀察到孔。通過(guò)后處理來(lái)完全消除印刷零件中的孔是非常具有挑戰(zhàn)性的。例如，熱等靜壓（HIP）無(wú)法關(guān)閉表面孔；HIP封閉的氣孔可以在隨后的熱處理過(guò)程中重新打開并生長(zhǎng)。

因此，為了獲得具有非常低或零孔隙率的印刷部件，揭示在LPBF過(guò)程中熔體池中孔隙演化和消除的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理以及識(shí)別在印刷過(guò)程中消除孔隙的機(jī)理是至關(guān)重要的。然而，由于孔隙的小尺寸和高速度，以及金屬的不透明性質(zhì)，原位和實(shí)時(shí)探測(cè)這些微孔的運(yùn)動(dòng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。早期的研究，包括使用x光成像來(lái)可視化激光熔池中的孔隙運(yùn)動(dòng)，取得了一些成功。但是由實(shí)驗(yàn)室光源或中能同步加速器設(shè)備提供的分辨率不足以捕捉這些微孔的一些快速運(yùn)動(dòng)。

在該研究中，研究人員們使用高速硬X射線成像技術(shù)，以高分辨率（100ps的時(shí)間分辨率和〜2μμm的空間分辨率）揭示了LPBF過(guò)程中熔池中微孔的高動(dòng)態(tài)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。通過(guò)互補(bǔ)的多物理場(chǎng)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)孔隙的移動(dòng)行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)作用力和熔體流動(dòng)引起的阻力的競(jìng)爭(zhēng)支配。并且由激光相互作用區(qū)域中的高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服由熔體流動(dòng)引起的阻力，從而在LPBF過(guò)程中快速消除熔池中的孔。本文揭示的熱毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)的孔消除機(jī)制可用于設(shè)計(jì)3D打印方法，以實(shí)現(xiàn)金屬的無(wú)孔3D打印。

圖1a示意性地顯示了原位高速X射線成像實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)捕獲了LPBF期間的孔隙運(yùn)動(dòng)和消除動(dòng)力學(xué)。X射線原位成像實(shí)驗(yàn)裝置包括粉末床系統(tǒng)（在兩個(gè)玻璃狀碳板之間夾在基板上的100μm粉末層），選擇性激光熔化系統(tǒng)（掃描粉末床并創(chuàng)建熔池） ）和高速X射線成像系統(tǒng)（以捕獲LPBF過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化）。

圖1. LPBF過(guò)程中孔隙動(dòng)力學(xué)的原位表征

LPBF過(guò)程中熔池中孔隙運(yùn)動(dòng)和消除的動(dòng)力學(xué)及其機(jī)理如下圖所示。孔的運(yùn)動(dòng)行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)作用力和熔體流動(dòng)引起的拖曳力的競(jìng)爭(zhēng)支配。當(dāng)孔的尺寸變大時(shí)，浮力將發(fā)揮更重要的作用。然而，研究人員的估計(jì)表明，要使浮力在正常使用的LPBF條件下占主導(dǎo)地位，孔的大小需要達(dá)到毫米，甚至大于LPBF工藝中典型熔池的大小。因此，在LPBF過(guò)程中用于消除孔的主要驅(qū)動(dòng)力是熱毛細(xì)管力，而不是通常認(rèn)為的浮力。

圖2. 孔隙動(dòng)力學(xué)和消除機(jī)制。示意圖顯示了低滲透流化床過(guò)程中孔隙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和孔隙消除的機(jī)理

熱毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)的孔消除可以作為在LPBF過(guò)程中消除孔的有效方法。這里，提供兩個(gè)示例作為概念證明。首先，研究人員證明，在適當(dāng)?shù)募す饧庸�條件下，通過(guò)熱毛細(xì)作用力可以消除原料粉末中的孔，以實(shí)現(xiàn)無(wú)孔道，如下圖a-d所示。其次，研究人員證明通過(guò)使用適當(dāng)?shù)募す鈷呙鑵��?shù)進(jìn)行激光再掃描，通過(guò)熱毛細(xì)作用力將消除先前形成的層中的孔，如下圖e–h所示。研究人員已經(jīng)對(duì)AlSi10Mg和Ti6Al4V合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) 。研究人員在兩種合金中均通過(guò)熱毛細(xì)作用力實(shí)現(xiàn)了孔消除，這表明由熱毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)的孔消除機(jī)制不限于特定的合金體系。

圖3. 使用熱毛細(xì)作用力消除毛孔

研究人員最終發(fā)現(xiàn)了一種通過(guò)將復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)和多物理模型協(xié)同結(jié)合來(lái)有效消除金屬3D印刷中的孔隙的機(jī)制。他們預(yù)計(jì)，此處揭示的熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制可以為開發(fā)實(shí)現(xiàn)無(wú)孔隙3D打印的方法開辟道路，從而釋放3D打印技術(shù)的全部潛力。熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制也適用于廣泛的研究和工程領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，孔隙演化非常重要，并且存在溫度梯度，例如激光拋光、激光熔覆、焊接等。

該研究團(tuán)隊(duì)自2015年以來(lái)一直在使用位于美國(guó)能源部（DOE）科學(xué)用戶辦公室位于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源（APS）來(lái)研究快速成型制造工藝。APS能產(chǎn)生強(qiáng)烈的強(qiáng)光X射線，可以穿透金屬零件，在金屬?gòu)姆勰┲谐尚蜁r(shí)實(shí)時(shí)拍攝圖像。用APS的激光和粉末設(shè)置，該研究團(tuán)隊(duì)記錄了熔池中的孔隙的形成和隨后的移動(dòng)，這些孔隙的寬度比人的頭發(fā)還小。該團(tuán)隊(duì)由前密蘇里科技大學(xué)（Missouri University of Science and Technology）和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的Liananyi Chen和前阿貢（Argonne）X射線科學(xué)部門（Argonne's X射線科學(xué)部門）、現(xiàn)弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的Tao Sun領(lǐng)導(dǎo)。

圖4. 在APS處捕獲的X射線圖像顯示了增材制造過(guò)程中鋁的激光熔化。在激光的左側(cè)，您可以看到在加工過(guò)程中形成的細(xì)小孔，隨著時(shí)間的推移，這些細(xì)孔會(huì)在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生缺陷。

本文來(lái)源：DOI:10.1038/s 1467-019-10973-9