清华大学最新《Science》:金属3D打印致命气孔产生原因找到了!

2020-11-29 11:43:15 高分子科学前沿

激光粉床融合(Laser powder bed fusion)是目前使用最广泛的金属增材制造工艺,在计算机辅助设计和绘图软件的控制下,它能够通过高功率密度激光熔化金属粉末。尽管LPBF具有优异的制造复杂几何形状制件的能力,但制件的孔隙度仍然是该工艺致命的弱点,在制造过程中形成“匙孔”(蒸汽凹陷)会导致孔隙化,从而降低合金性能,尤其是断裂性能,亦会使得制件的耐腐蚀性和抗疲劳性能大打折扣。

为此,清华大学赵沧助理教授,美国卡内基梅隆大学Anthony D. Rollett,弗吉尼亚大学Tao Sun利用高速X射线成像技术,详细研究了钛合金(Ti-6Al-4V)中由匙孔导致的孔结构的形成过程。实验结果发现:

1、处于P-V空间中匙孔孔隙具有尖锐、平滑的边界形貌,同时在光板和粉床之间变化不大。

2、临界失稳状态下的匙孔在熔体池中产生声波,为匙孔尖端附近的气孔提供额外而重要的驱动力,使其远离匙孔并成为缺陷。

3、小的球形气孔的形成可能源于粉末的存在或者亚稳态的熔化条件。

首先我们来看看这个“匙孔”

在高功率,低扫描速度的激光熔融条件下,金属快速蒸发产生的强反冲压将周围的熔化液向下推,从而产生称为匙孔的深窄腔(keyholes)。在匙孔内,激光束经过多次反射,从而在很大程度上增强了激光吸收,提高了能量转化效率。然而,在某些激光条件下,匙孔壁不断波动和坍塌。这个过程通常归因于热毛细力、马朗格尼对流、反冲压力和产生气体等离子体的复杂相互作用。这种匙孔的不稳定性状态会产生气孔,如果在凝固前沿被固定下来,这些孔隙将成为有害的结构缺陷。

图1 匙孔孔隙边界及粉末在激光熔化中的作用。(A)P-V空间,浅绿色阴影区域代表稳定的熔化系统(由稳定的匙孔、过渡和传导系统组成)和浅黄色区域代表匙孔孔隙化系统。淡紫色阴影区域和蓝色箭头表明了添加粉末增加不稳定性和扩大孔隙率的程度。(B)在恒定的P=382 W,不同扫描速度下的X射线图像。上面为粉床样品。下面为光板样品。

功率—速度(P-V)空间图可将产品质量(密度或孔隙度)与工艺参数(剖面线间距)关联起来,是LPBF用户有效的工具。但P-V空间的物理基础中存在缺陷,即利用“匙孔孔隙边界”将生产致密制件的加工条件与有孔隙制件的加工条件分开是否是准确的且可重复的。匙孔形成的空间尺度是亚纳秒时间分辨率、微米空间分辨率和兆赫帧率,与高速X射线成像的尺度范围高度吻合,该团队通过高速X射线成像定量勾勒出匙孔孔隙边界、阐明粉末效应、揭示了LPBF过程中匙孔的基本来源及其初始运动,补充了 P -V空间中缺陷的部分。

图2 孔隙边界上匙孔的缩放和波动。(A)和(B)匙孔深度(C)P - V 空间中的匙孔深度(D)扫描速度和(E)激光功率与匙孔深度的相对波动的函数关系(F)P- V空间中匙孔深度的相对波动(G)匙孔深度与能量密度E的函数关系(H)前匙孔壁长度(I)匙孔深度与tanθ的函数

图3 匙孔不稳定引起的声波驱动下的匙孔的形成和运动。(A)匙孔形成过程的X射线图像(B)孔隙在微射流作用下不均匀破裂的X射线图像(C、D)孔隙的轮廓和微射流示意图(E)随时间变化的匙孔深度(F)由C图估算的等效孔径(G)孔隙距离(H)NKB的形成(I)NKB产生的声波引起的孔隙初始运动(J)和(K)匙孔塌陷、复原和运动的X射线图像

此研究不仅为预测工艺窗口提供了更严谨的基础,而且解释了一些研究LPBF的文献中关于孔隙形成机制的模糊的问题,对避免高孔隙率从而构建高质量金属制件具有重要意义。

来源:高分子科学前沿

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