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打破裂微小气泡,金属无孔隙3D打印

激光粉末床融合(LPBF)是一种3D打印技术(也称为增材制造),它可以直接从数字模型中打印具有复杂几何形状的金属零件,而不受传统制造路线的设计限制,这有可能彻底改变生物医学航空航天和国防工业。然而,由LPBF印刷的零件通常比由常规方法制造的零件包含更多的孔这严重阻碍了它们的应用,因为气孔是导致零件失效的最有害的缺陷之一。

许多机制可导致在印刷过程中在熔体池中形成孔(例如,来自原料粉末的孔转移、印刷过程中凹陷区的不稳定性、挥发性元素的蒸发、气体沉淀)。浮力不能有效地消除熔池中的软管孔,浮力是一种从液体中消除孔的常用机制,因为在LPBF工艺中强劲的熔体流动所引起的高阻力将孔捕获在熔池中 。因此,在印刷零件中普遍观察到孔。通过后处理来完全消除印刷零件中的孔是非常具有挑战性的。例如,热等静压(HIP)无法关闭表面孔;HIP封闭的气孔可以在随后的热处理过程中重新打开并生长。

因此,为了获得具有非常低或零孔隙率的印刷部件,揭示在LPBF过程中熔体池中孔隙演化和消除的动力学和机理以及识别在印刷过程中消除孔隙的机理是至关重要的。然而,由于孔隙的小尺寸和高速度,以及金属的不透明性质,原位和实时探测这些微孔的运动是非常具有挑战性的。早期的研究,包括使用x光成像来可视化激光熔池中的孔隙运动,取得了一些成功。但是由实验室光源或中能同步加速器设备提供的分辨率不足以捕捉这些微孔的一些快速运动。

在该研究中,研究人员们使用高速硬X射线成像技术,以高分辨率(100ps的时间分辨率和〜2μμm的空间分辨率)揭示了LPBF过程中熔池中微孔的高动态和复杂运动。通过互补的多物理场建模,研究人员发现孔隙的移动行为受温度梯度引起的热毛细作用力和熔体流动引起的阻力的竞争支配。并且由激光相互作用区域中的高温梯度引起的高热毛细管力可以克服由熔体流动引起的阻力,从而在LPBF过程中快速消除熔池中的孔。本文揭示的热毛细作用力驱动的孔消除机制可用于设计3D打印方法,以实现金属的无孔3D打印。

图1a示意性地显示了原位高速X射线成像实验,该实验捕获了LPBF期间的孔隙运动和消除动力学。X射线原位成像实验装置包括粉末床系统(在两个玻璃状碳板之间夹在基板上的100μm粉末层),选择性激光熔化系统(扫描粉末床并创建熔池) )和高速X射线成像系统(以捕获LPBF过程的动态变化)。

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图1. LPBF过程中孔隙动力学的原位表征

LPBF过程中熔池中孔隙运动和消除的动力学及其机理如下图所示。孔的运动行为受温度梯度引起的热毛细作用力和熔体流动引起的拖曳力的竞争支配。当孔的尺寸变大时,浮力将发挥更重要的作用。然而,研究人员的估计表明,要使浮力在正常使用的LPBF条件下占主导地位,孔的大小需要达到毫米,甚至大于LPBF工艺中典型熔池的大小。因此,在LPBF过程中用于消除孔的主要驱动力是热毛细管力,而不是通常认为的浮力。

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图2. 孔隙动力学和消除机制。示意图显示了低渗透流化床过程中孔隙运动的动力学和孔隙消除的机理

热毛细管力驱动的孔消除可以作为在LPBF过程中消除孔的有效方法。这里,提供两个示例作为概念证明。首先,研究人员证明,在适当的激光加工条件下,通过热毛细作用力可以消除原料粉末中的孔,以实现无孔道,如下图a-d所示。其次,研究人员证明通过使用适当的激光扫描参数进行激光再扫描,通过热毛细作用力将消除先前形成的层中的孔,如下图e–h所示。研究人员已经对AlSi10Mg和Ti6Al4V合金进行了实验 。研究人员在两种合金中均通过热毛细作用力实现了孔消除,这表明由热毛细作用力驱动的孔消除机制不限于特定的合金体系。

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图3. 使用热毛细作用力消除毛孔

研究人员最终发现了一种通过将复杂的原位实验和多物理模型协同结合来有效消除金属3D印刷中的孔隙的机制。他们预计,此处揭示的热毛细力驱动的孔隙消除机制可以为开发实现无孔隙3D打印的方法开辟道路,从而释放3D打印技术的全部潜力。热毛细力驱动的孔隙消除机制也适用于广泛的研究和工程领域,在这些领域中,孔隙演化非常重要,并且存在温度梯度,例如激光抛光、激光熔覆、焊接等。

该研究团队自2015年以来一直在使用位于美国能源部(DOE)科学用户办公室位于阿贡国家实验室的先进光子源(APS)来研究快速成型制造工艺。APS能产生强烈的强光X射线,可以穿透金属零件,在金属从粉末中成型时实时拍摄图像。用APS的激光和粉末设置,该研究团队记录了熔池中的孔隙的形成和随后的移动,这些孔隙的宽度比人的头发还小。该团队由前密苏里科技大学(Missouri University of Science and Technology)和威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的Liananyi Chen和前阿贡(Argonne)X射线科学部门(Argonne's X射线科学部门)、现弗吉尼亚大学(University of Virginia)的Tao Sun领导。

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图4. 在APS处捕获的X射线图像显示了增材制造过程中铝的激光熔化。在激光的左侧,您可以看到在加工过程中形成的细小孔,随着时间的推移,这些细孔会在最终产品中产生缺陷。


(南极熊)

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