近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种新型激光粉末床融合(PBF-LB)工艺。据研究团队表示，该工艺可以有效降低金属增材制造零件生产过程中的缺陷生成，例如孔隙和裂缝。

研究团队包括该校的机械工程教授Lianyi Chen和博士生Luis Escano、Minglei Qu，研究结果发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上，Qu是该研究的第一作者。

Lianyi Chen（左）和博士生 Luis Escano 和 Minglei Qu（右）开发了一种新型 PBF-LB 工艺，以减少增材制造零件的缺陷（由 Renee Miller/威斯康星大学麦迪逊分校提供）

该工艺使用陶瓷纳米颗粒控制增材制造过程中的不稳定性。研究小组解释说，在PBF-LB工艺中，激光熔化了薄薄的金属粉末层，然后材料冷却形成成品金属部件。然而，当激光与粉末材料相互作用时，粉末表面加热到沸腾温度并产生热蒸汽。

这种汽化会产生压力，向下推动熔化材料池，导致液滴溅出。这些液滴会在增材制造零件中造成不可预测的缺陷，并且液滴还可以合并形成更大的液滴，从而在增材制造过程中产生更多问题并导致不合格的零件。

研究团队通过用陶瓷纳米粒子涂覆金属粉末，可以控制加工过程的不稳定性。利用高速同步加速器X射线成像和理论分析，他们发现纳米颗粒涂层稳定了熔池，防止液滴喷出并形成更大的飞溅物。

“使用金属3D打印，我们无法始终如一地生产出与传统方法相同的高质量和可靠性部件，我们担心将3D打印部件用于关键或承重应用，都不是一个很好的选择，”Lianyi Chen说，“质量问题始终成为大范围应用金属3D打印的最大障碍。”

“我们展示了一种通过使金属3D打印技术更加可靠来解决质量问题的潜在方法，使其能够生产出一致性和无缺陷的零件，”Chen继续说道，“使用我们独特的方法，能够打印出不含有缺陷的金属部件，并且质量与现成的商业制造部件相媲美。”

除了为增材制造带来的可能性外，Chen指出，这一发展可能会导致广泛应用的改进，包括激光抛光、激光熔覆、焊接、铸造、流体稳定性控制等。“当引入纳米粒子时，我们发现它们使液滴在表面几乎有一层‘盔甲’，因此当它们碰撞时不会融合在一起，”Minglei Qu评论道，“这也是我们第一次摆脱金属3D打印中的飞溅问题。”

据该校官网信息，目前Lianyi Chen教授的研究项目包括电子束熔化过程的动力学和机理、激光粉末床熔融增材制造中熔池振荡和飞溅物形成的物理机制、表征激光金属沉积增材制造工艺的动力学、通过建模和实验揭示金属增材制造中晶粒细化的机理等。

与PBF-LB一样，电子束粉末床融合(Electron beam powder bed fusion)也是一种金属增材制造技术，它具有制造复杂金属零件的能力，而这些金属零件通过传统制造方法却无法实现。该技术具有广泛应用，从制造喷气发动机涡轮叶片的3D打印铝化钛到创建个性化的生物医学植入物和假肢。

在此前的研究中，Chen就曾表示，如果没有很好地了解过程动力学，就不知道零件制造过程中缺陷的形成机理。这在很大程度上阻碍了电子束粉末床融合技术在工业中的发展和采用。

Chen领导的研究团队旨在显著提高对电子束粉末床融合过程的测量和理解。该研究将提高美国制造商利用这项技术大批量生产高质量、创新和复杂产品的能力。美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的为期两年、价值100万美元的资金正在支持该项目。

在Chen领导的研究项目中，电子束粉末床融合工艺包括使用电子束在真空下将粉末金属熔化并融合在一起，以逐层构建3D零件。在电子束将一层金属粉末熔化到产品上后，一层新的薄金属粉末敷在粉末床的工作区域上，以构建下一层产品。

为了现场监测粉末床表面下方的过程动态，研究人员开发一个测试平台并使用高速X射线成像/衍射来量化动态过程。当电子束与粉末材料相互作用时，会在相互作用区上方的区域产生高温并形成热蒸汽。了解蒸汽的特性很重要，因为汽化会影响熔池，影响吸收并改变合金成分。然而，汽化过程发生得非常快，这让监测变得具有挑战性。

为了应对这一挑战，机械工程教授Scott Sanders首次利用各种激光和光学技术来测量蒸汽的特性，包括温度和气体的成分。他表示，很长一段时间以来，我们一直在应用光学研究燃烧过程中的热气。因此，实质上是在将这些专业知识用于不同的应用，其中就包括增材制造工艺。