近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員開發了一種新型激光粉末床融合(PBF-LB)工藝。據研究團隊表示，該工藝可以有效降低金屬增材制造零件生產過程中的缺陷生成，例如孔隙和裂縫。

研究團隊包括該校的機械工程教授Lianyi Chen和博士生Luis Escano、Minglei Qu，研究結果發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上，Qu是該研究的第一作者。

Lianyi Chen（左）和博士生 Luis Escano 和 Minglei Qu（右）開發了一種新型 PBF-LB 工藝，以減少增材制造零件的缺陷（由 Renee Miller/威斯康星大學麥迪遜分校提供）

該工藝使用陶瓷納米顆粒控制增材制造過程中的不穩定性。研究小組解釋說，在PBF-LB工藝中，激光熔化了薄薄的金屬粉末層，然后材料冷卻形成成品金屬部件。然而，當激光與粉末材料相互作用時，粉末表面加熱到沸騰溫度并產生熱蒸汽。

這種汽化會產生壓力，向下推動熔化材料池，導致液滴濺出。這些液滴會在增材制造零件中造成不可預測的缺陷，并且液滴還可以合并形成更大的液滴，從而在增材制造過程中產生更多問題并導致不合格的零件。

研究團隊通過用陶瓷納米粒子涂覆金屬粉末，可以控制加工過程的不穩定性。利用高速同步加速器X射線成像和理論分析，他們發現納米顆粒涂層穩定了熔池，防止液滴噴出并形成更大的飛濺物。

“使用金屬3D打印，我們無法始終如一地生產出與傳統方法相同的高質量和可靠性部件，我們擔心將3D打印部件用于關鍵或承重應用，都不是一個很好的選擇，”Lianyi Chen說，“質量問題始終成為大范圍應用金屬3D打印的最大障礙。”

“我們展示了一種通過使金屬3D打印技術更加可靠來解決質量問題的潛在方法，使其能夠生產出一致性和無缺陷的零件，”Chen繼續說道，“使用我們獨特的方法，能夠打印出不含有缺陷的金屬部件，并且質量與現成的商業制造部件相媲美。”

除了為增材制造帶來的可能性外，Chen指出，這一發展可能會導致廣泛應用的改進，包括激光拋光、激光熔覆、焊接、鑄造、流體穩定性控制等。“當引入納米粒子時，我們發現它們使液滴在表面幾乎有一層‘盔甲’，因此當它們碰撞時不會融合在一起，”Minglei Qu評論道，“這也是我們第一次擺脫金屬3D打印中的飛濺問題。”

據該校官網信息，目前Lianyi Chen教授的研究項目包括電子束熔化過程的動力學和機理、激光粉末床熔融增材制造中熔池振蕩和飛濺物形成的物理機制、表征激光金屬沉積增材制造工藝的動力學、通過建模和實驗揭示金屬增材制造中晶粒細化的機理等。

與PBF-LB一樣，電子束粉末床融合(Electron beam powder bed fusion)也是一種金屬增材制造技術，它具有制造復雜金屬零件的能力，而這些金屬零件通過傳統制造方法卻無法實現。該技術具有廣泛應用，從制造噴氣發動機渦輪葉片的3D打印鋁化鈦到創建個性化的生物醫學植入物和假肢。

在此前的研究中，Chen就曾表示，如果沒有很好地了解過程動力學，就不知道零件制造過程中缺陷的形成機理。這在很大程度上阻礙了電子束粉末床融合技術在工業中的發展和采用。

Chen領導的研究團隊旨在顯著提高對電子束粉末床融合過程的測量和理解。該研究將提高美國制造商利用這項技術大批量生產高質量、創新和復雜產品的能力。美國國家標準與技術研究院(NIST)提供的為期兩年、價值100萬美元的資金正在支持該項目。

在Chen領導的研究項目中，電子束粉末床融合工藝包括使用電子束在真空下將粉末金屬熔化并融合在一起，以逐層構建3D零件。在電子束將一層金屬粉末熔化到產品上后，一層新的薄金屬粉末敷在粉末床的工作區域上，以構建下一層產品。

為了現場監測粉末床表面下方的過程動態，研究人員開發一個測試平臺并使用高速X射線成像/衍射來量化動態過程。當電子束與粉末材料相互作用時，會在相互作用區上方的區域產生高溫并形成熱蒸汽。了解蒸汽的特性很重要，因為汽化會影響熔池，影響吸收并改變合金成分。然而，汽化過程發生得非常快，這讓監測變得具有挑戰性。

為了應對這一挑戰，機械工程教授Scott Sanders首次利用各種激光和光學技術來測量蒸汽的特性，包括溫度和氣體的成分。他表示，很長一段時間以來，我們一直在應用光學研究燃燒過程中的熱氣。因此，實質上是在將這些專業知識用于不同的應用，其中就包括增材制造工藝。