Nature子刊:奈米粒子消除大飛濺物，控制鋁合金3D列印工藝的缺陷

粉末床鐳射熔化一種備受關注的金屬3D列印技術，憑藉在製造複雜性設計中的優勢，這一技術有望改變製造過程。然而這一技術尚未達到最佳的操作可靠性，其中的挑戰在於如何控制複雜的鐳射-粉末-熔池相互依賴性的動力學。

3D科學谷此前在《Science 最新研究！減少粉末床金屬3D列印中“飛濺”引起的質量缺陷》一文中分享過美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）等科研機構透過高保真度的模擬技術與同步加速器實驗捕獲中納秒級的快速多瞬態動力學，開發了一種穩定性標準-“功率地圖（power map）”，從而穩定熔池動力學並使缺陷最小化。本期谷。專欄，透過Nature Communications上《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的分享，來了解如何透過奈米粒子控制飛濺，減少鋁合金3D列印工藝的不穩定性。鋁合金系列

相關論文以題目“3D printed nickel catalytic static mixers made by corrosive chemical treatment for use in continuous flow hydrogenation”發表在《Reaction Chemistry & Engineering》上。本期谷。專欄將分享這一科研成果。

根據3D科學谷，3D列印邁向產業化的過程中遇到了一系列的難題，其中包括：透過資訊管理系統來管理增材製造資料流；工藝可重複性、零件到零件的一致性；成熟的認證和質量檢測方法。可以說任何一個零件，要實現從0到1的3D列印，再實現從1到n的產業化生產，都需要經歷一個不斷突破的過程。

/實現工藝可重複性奈米粒子消除大飛濺的產生

《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的研究⼯作得到了美國國家科學基⾦會和威斯康星⼤學⻨迪遜分校啟動基⾦（LC）的⽀持。研究揭示了兩種機制協同工作以消除所有型別的大飛濺：（1）透過奈米粒子對熔池波動的控制消除了液體破裂引起的大飛濺；（2）透過奈米粒子對液滴聚結的控制消除了液滴碰撞引起的大飛濺。論文發現奈米粒子能夠同時穩定熔池波動和防止液滴聚結，為控制金屬增材製造缺陷提供了一種潛在的方法。

在鐳射粉末床熔化（LPBF）金屬3D列印過程中，3D科學谷瞭解到當高能鐳射束撞擊粉末床時，區域性鐳射加熱會導致表面沸騰，形成強烈的蒸汽射流。蒸汽射流產生的反衝壓力將熔體表面向下推，形成蒸汽凹陷（也稱為凹陷區或小孔）；蒸氣射流的高速蒸氣流將粉末和液滴向上噴射出去，形成飛濺物，並誘導周圍氣體流向鐳射束。

大飛濺的隨機形成是 LPBF 工藝中不可預測的缺陷形成的主要原因，也是質量控制的一大挑戰，大飛濺可能導致嚴重的加工故障（例如，重塗機堵塞、粉末床不均勻性、表面凹坑、成球、熔道變形和3D列印產品中的缺陷（例如，孔隙、雜質）。由不可預測的飛濺帶來的缺陷引起的零件質量不一致是 LPBF 在各個行業中廣泛採用的突出障礙，特別是對於安全效能要求高的零件加工來說。

飛濺形成的原因有多種複雜因素的結合，總體來說，由於鐳射吸收率對入射角有很強的依賴性，3D科學谷瞭解到不均勻的能量吸收會導致不均勻的汽化，從而導致熔池表面（液-氣介面）上的反衝壓力不均勻。不均勻的反衝壓力引起液氣介面的波動，進而引起鐳射能量吸收和蒸氣壓的波動。

鐳射與熔池相互作用的能量導致了鐳射-粉床相互作用的強烈不穩定性，例如帶來了熔池與蒸氣相互作用的凹陷漲落，從而帶來了氣流驅動的飛濺碰撞，氣體驅動的飛濺碰撞可導致大飛濺的形成（論文中的大飛濺定義為尺寸大於100 μm的飛濺）。

此前市場上的研究工作透過最佳化加工引數的努力提高對飛濺的控制，但還不能消除大飛濺，因為調整加工引數不能改變鐳射與粉末床區域性相互作用的內在性質。此前，消除大飛濺物的隨機形成仍然是一個加工挑戰。

論文透過使用奈米粒子來控制鐳射-粉末床的相互作用來消除大的飛濺物，從而使得3D列印具有良好一致性和增強效能的零件。3D科學谷瞭解到透過原位高速同步加速器 X 射線成像實驗表明，奈米粒子可以同時穩定熔池波動和控制液滴聚結，從而消除所有型別的大飛濺物。

研究工作透過原位高速同步加速器 X 射線成像用於表徵 Al6061（含4。4%TiC）粉末床和 Al6061 粉末床鐳射熔化過程中的飛濺動力學進行比較，形成鮮明對比的是，添加了TiC的Al6061粉末床沒有觀察到大的飛濺。

透過奈米粒子的引入增加了蒸氣凹陷深度，這主要是由於奈米粒子的吸收率增強。為了確認這種結果不侷限於某種工藝引數的設定，3D科學谷瞭解到研究人員在寬範圍的工藝引數下進行了原位 X 射線成像實驗。在所研究的所有處理條件下都觀察到奈米顆粒能夠消除大飛濺物。而相比之下，沒有新增奈米粒子的Al6061材料在相同加工工藝引數下，則出現了許多數量密度約為 25 ± 4 cm-2 的大飛濺物。

奈米粒子的引入不僅使得大飛濺帶來的缺陷顯著減少，3D科學谷瞭解到表面輪廓測量表明，表面粗糙度（Ra）降低了 90%，從不新增奈米粒子的Al6061的增材製造結果20 ± 3 μm 的表面粗糙度降低到 2。1 ± 0。2 μm。空間解析度為 2 μm 的 X 射線成像檢查表明，添加了奈米粒子的3D列印零件中未檢測到孔隙，並且有效的晶粒細化帶來了熱裂的消除。

I奈米顆粒消除液體破裂

為了揭示奈米顆粒能夠消除大飛濺物的機制，研究人員進行了深入的原位高速 X 射線成像研究。發現了兩種協同作用以防止大飛濺形成的機制。

研究發現的第一個機制是奈米粒子穩定了蒸汽抑制波動，從而消除了熔池中的液體破裂。模擬研究表明，液體破裂是由流體動量引起的慣性壓力克服表面張力引起的毛細壓力引起的，類似於水的飛濺。然而，在 Al6061（新增4。4%TiC）的材料列印過程中，沒有觀察到液體破裂（甚至沒有液體突出）。

奈米粒子可消除液體破裂

隨著蒸汽壓降波動的減少，液體動量突然增加的驅動力（例如，蒸汽壓降的突然膨脹推動液體向上移動，將液體排出熔池而產生的飛濺）得到緩解。3D科學谷瞭解到沒有足夠的液體動量，慣性壓力（即動能）不能克服表面張力引起的毛細壓力，從而抑制了飛濺的產生。

奈米粒子消除液滴碰撞奈米粒子防止飛濺聚結

研究發現的第二個機制是奈米粒子在碰撞過程中阻止了液體飛濺物的聚結，從而消除了碰撞引起的大飛濺物。由於鐳射-粉末床相互作用區域周圍的氣流密集且混亂，因此在 LPBF 過程中，粉末碰撞經常發生。當熔池中的兩個液體飛濺物發生碰撞時，兩個飛濺物合併形成大飛濺物。碰撞引起的團聚是大飛濺物形成的主要機制，此前透過最佳化工藝條件或調整合金成分很難克服。然而，研究發現在 Al6061（新增4。4%TiC）的材料列印過程中，液體飛濺物可以在碰撞後立即分離，碰撞的唯一後果是它們的移動方向和速度的變化。

總之，研究發現並證明了奈米粒子透過同時穩定熔池波動和防止液滴聚結來控制鐳射-粉末床相互作用的不穩定性，從而消除大飛濺，這為穩定的金屬增材製造質量控制提供了一條可行的途徑。

知之既深，行之則遠，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智慧製造深度觀察，有關增材製造領域的深度剖析，請關注3D科學谷的白皮書系列。

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