金属3D打印最新Science：控制金属3D打印中相互依赖的中纳秒级动力学和缺陷生成

木文韬 5年前 (2020-05-08) 26771浏览

【引言】

激光粉末床熔融增材制造（L-PBF AM）技术使用激光束在微观（~15至100μm）金属粉末的平板上扫描二维图案。这形成了熔池轨迹，与下层熔融。重复执行数千次分层过程会生成3D对象。迫切需要了解和控制激光工艺参数与复杂的粉末和熔池动力学之间的相互依赖性。这有助于解决可变性问题，在可变性问题中，印刷零件不能重复满足通过鉴定和认证步骤所需的标准。这种可变性是由于在每一层扫描过程中，在粉末层和熔池中随机产生的各种缺陷（如气孔）的累积造成的。在粉末床层的研究发现，由蒸汽驱动的混沌粉末动力学以每秒几百米的速度逸出熔池凹陷。这种高的蒸气通量会产生复杂的气流，从而带走散布在激光轨道两侧的松散粉末颗粒。此过程有时会导致较大的剥蚀区域，其中没有粉末，并导致肉眼观察到的85%的粒子飞溅成为火花。X射线成像显示，飞溅粒子的速度可以达到~15 m/ s，并且在不同的环境压力下形成。因此，减少飞溅是L-PBF的重中之重。生产没有这些缺陷的零件仍然具有挑战性。少量微孔的存在会影响机械性能，即使对于密度超过99%的零件也是如此。探测熔池是通过超高速X射线技术完成的，但这些仍然缺乏完全捕获熔池形态和微孔动力学的超快动力学所需的空间和时间分辨率。

【成果简介】

今日，在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Saad A Khairallah计算工程师团队等人（通讯作者）带领下，与美国空军研究实验室、美国UES公司和美国巴恩斯集团合作，使用高保真模拟，结合同步辐射实验，在中纳秒尺度上捕捉快速多瞬态动力学，并发现了新的飞溅引起的缺陷形成机制，这些缺陷的形成机制取决于扫描策略和激光跟踪和喷射之间的竞争。最后得出了稳定熔池动力学和最小化缺陷的标准，这将有助于提高构建的可靠性。相关成果以题为“Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing”发表在了Science。