供稿人：蔡江龙、张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-12-03
激光粉末床熔融（LPBF）使用高能激光束选择性将薄层金属粉末熔化，从而将计算机辅助设计模型直接转换为零件。小聚焦光束尺寸（约 50–100 µm）的高空间分辨率使LPBF能够制造传统制造无法实现的具有复杂几何形状的金属零件，如图 1a 所示，促使其在各个行业中不断广泛应用（例如，航空航天、医疗、国防）。然而，粉末床的聚焦激光加热会产生严重的工艺不稳定性，当高能激光束撞击粉末床时，局部激光加热会导致表面沸腾，形成强烈的蒸汽射流。蒸气射流的高速向上蒸气流将粉末和液滴喷射出去，形成飞溅物，从而导致形成各种缺陷，如图 1b、c 所示。通过工艺优化可以改变飞溅的数量，但不能消除大飞溅，因为调整加工参数不能改变激光与粉末床局部相互作用的内在性质，因此消除大飞溅物的随机形成仍然是一个挑战。
图1. 纳米颗粒消除 LPBF 中的大飞溅物
Minglei Qu等通过在Al6061合金粉末中添加4.4vol.%TiC纳米颗粒成功消除了Al6061激光粉末床熔融过程中随机形成的大飞溅物。原位高速X射线成像研究发现了两种协同作用以抑制大飞溅形成的机制。第一个机制是纳米颗粒稳定了蒸气压降波动，从而消除了熔池中的液体破裂；第二个机制是纳米颗粒在碰撞过程中阻止了液体飞溅物的聚结，从而消除了碰撞引起的大飞溅物（图2）。大飞溅的消除使得打印样件中的缺陷显着减少。相比于Al6061，Al6061+4.4vol.%TiC的表面轮廓粗糙度（Ra）降低了90%，拉伸强度与T6热处理后的变形Al6061相当，伸长率提高33%；热处理后的 Al6061+4.4vol.%TiC 的抗拉强度比锻造的 Al6061 高123 ± 13 MPa（42%），并且仍保持 7.9% ± 0.3% 的伸长率。
图2. 纳米颗粒防止飞溅聚结
局部激光-粉末床相互作用所固有的工艺不稳定性导致激光粉末床熔融 (LPBF) 增材制造过程中形成各种缺陷。通过纳米颗粒添加消除大飞溅物，使得打印样件具有良好的一致性高表面精度和力学性能提升，为稳定的金属增材制造质量控制提供了一条可行的途径。