高熔點(diǎn)金屬材料的增材制造（3D打?。┓椒ㄔ诤娇蘸教旌蜕镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，能以中等產(chǎn)量生產(chǎn)高價(jià)值且?guī)缀涡螤顝?fù)雜的部件，但操作可靠性尚未達(dá)到最佳。其應(yīng)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(fā)生的現(xiàn)象。例如在僅幾個顆粒厚的粉末層中的能量吸收問題。為了解決在打印過程中隨機(jī)生成的缺陷、可重復(fù)地生產(chǎn)高質(zhì)量部件，迫切需要了解和控制激光工藝參數(shù)與復(fù)雜的粉末和熔池動力學(xué)之間的相互依賴性。
近日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的Saad A. Khairallah和賴特-帕特森空軍基地空軍研究實(shí)驗(yàn)室等研究人員在《Science》上報(bào)道了一項(xiàng)在金屬3D打印過程中粉末動力學(xué)與不銹鋼中缺陷形成關(guān)系的研究。對于金屬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(xué)與原位X射線同步加速器觀測相結(jié)合，觀察高分辨率打印過程中的飛濺事件，并將其與熱力學(xué)和流體動力學(xué)模型耦合，還對“預(yù)燒結(jié)”粉末床進(jìn)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(xiàn)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射線成像和建模來了解粒子運(yùn)動與射束能量的關(guān)系。在粉末床打印中，電子或激光束按預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案重復(fù)地點(diǎn)熔可以形成金屬層。通常需要連續(xù)調(diào)整打印工藝參數(shù)，以在打印部件的區(qū)域獲得所需的材料結(jié)構(gòu)。在宏觀層面上，必須調(diào)整激光器的功率，光束形狀，掃描速度，脈沖持續(xù)時(shí)間以及掃描模式，以實(shí)現(xiàn)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(qiáng)烈加熱會產(chǎn)生蒸汽羽流，這些蒸汽羽流會導(dǎo)致顆?！皬棾觥保h(yuǎn)離加熱區(qū)域。
粉末以預(yù)燒結(jié)狀態(tài)初始化，防止由于負(fù)電荷在粉末上積累引起的靜電排斥使粉末運(yùn)動。入射激光以100％的功率到達(dá)粉末床表面，并在反射時(shí)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，相對于沒有粉末的平板，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(shù)據(jù)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(nèi)，激光與粉末的相互作用變得不那么明顯。
較高功率（300W）的激光使懸浮在粉末床上方的顆粒團(tuán)簇表面沸騰形成熔融球體，并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(tuán)簇上表面沸騰，并在后坐力作用下將其壓入熔池中，使熔池深度降低90％。由于傳遞的熱量較少，偏離中心的團(tuán)簇?zé)o法完全熔化，因此該團(tuán)簇在111μm的高度處部分突出，這可能會造成散粉不均勻并降低制造質(zhì)量。當(dāng)排出的顆粒團(tuán)簇落在激光掃描路徑上時(shí)，團(tuán)簇破裂產(chǎn)生四個新飛濺位點(diǎn)。在未燒結(jié)的粉末床上，熔融的飛濺物可能會與疏松的粉末顆粒聚結(jié)并形成較大的團(tuán)簇，此過程可能會重復(fù)進(jìn)行。
激光功率大而短暫的變化會產(chǎn)生巨大的蒸氣后坐力。當(dāng)激光開始移動時(shí)，光束前后會產(chǎn)生很大的壓差引起超大尺寸(~200μm）的后向飛濺。當(dāng)以132 W的恒定功率進(jìn)行掃描時(shí)沒有產(chǎn)生后向飛濺，但是激光移動速度（1m/s）接近臨界極限，這導(dǎo)致了更熱，更不穩(wěn)定，更深的熔池。并且由于氣液界面處的溫差大，在起始處會形成孔隙。在終點(diǎn)處功率圖顯示的功率下降使凹陷處保持液態(tài)，這給了表面張力時(shí)間使表面變得光滑。激光突然關(guān)閉導(dǎo)致的快速冷卻生成了一個43um的冷凍凹陷。
作者開發(fā)了一個宏觀模型，可以根據(jù)激光功率和激光掃描速度繪制粉末驅(qū)逐狀態(tài)。這種對物理學(xué)的發(fā)展可以解決在金屬3D打印過程中發(fā)生的復(fù)雜現(xiàn)象。這樣的理解還可以幫助設(shè)計(jì)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。
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