下篇 l 无毛孔的SLM金属3D打印,Nature子刊揭示热毛细力驱动的孔隙消除机制

SLM选区激光粉末床熔化(或称LPBF)是一种3D打印技术,可以打印具有复杂几何形状的金属零件,而不受传统制造技术的设计限制。然而,通过LPBF 3D打印的部件通常比常规方法制造的零部件含有更多的孔隙,这几乎是SLM技术颇为人诟病的主要原因。

近日,阿贡国家实验室科学家们的论文,激光相互作用区域中由高温梯度引起的高热毛细管力可以克服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隙。通过调整3D打印方法,来实现热毛细力驱动的孔隙消除机制,获得无孔隙的3D打印金属零件。

3D科学谷通过上下两篇文章来详细揭示科学家们开发出这一孔隙消除方法的来龙去脉。

 Part_SLM成就复杂零件的SLM金属3D打印

block 力之间的相互作用

block 毛孔运动和消除

科学家们将钨微粒(1重量%,直径≤10微米)作为示踪标记包埋在AlSi10Mg粉末中,并根据不同区域中钨微粒的速度量化熔体流动行为。

SLM Study_1毛孔运动和消除的驱动力

 a – c X射线图像显示了示踪粒子(钨微粒,用白色虚线圆圈标记)的轨迹(用红色箭头表示)。(a)循环域的熔体流动(b)过渡域(c)在LPBF加工过程中激光相互作用熔池中的区域。

d 显示了在LPBF加工过程中熔池内的温度梯度,通过激光加工参数的多物理建模获得,与原位实验相同。温度梯度的大小和方向分别用颜色和黑色箭头表示。白色箭头表示温度梯度从固液界面(熔化前沿)到凹陷区前壁增加。

e 直径为10μm的孔的热毛细力(F t)与曳力(F d)之比。

a – c中,激光功率为360 W,扫描速度为1 ms -1粉末层的厚度为100μm。a – c中的比例尺为50μm

激光相互作用区域中的小孔沿着温度梯度移动并从熔池中逸出,这进一步证实了热毛细力驱动的孔隙消除机制。

为了研究热毛细管力对整个熔池不同位置的孔隙动力学的影响,阿贡实验室的科学家们开发了一个基于热毛细力与曳力之比(F t / F d)的力图,热毛细管力是激光相互作用域中的主导力,驱动毛孔沿温度梯度的方向移动,而阻力控制循环域中的毛孔运动

 SLM Study_2力的分析

a,b比较:循环域(a)以及在该工作中研究的孔径范围的激光相互作用域(b)中的曳力,浮力和热毛细力。

c,d 以孔径函数表达的力。克服曳力的浮力的临界孔径在循环区域(c)处为2.5mm,在激光相互作用区域(d)处为11mm,在循环区域为9.5 mm(c)和激光相互作用域(d)处为470mm 。

科学家们发现孔移动行为受温度梯度引起的热毛细力和熔体流动引起的阻力的竞争控制。当孔的尺寸变大时,浮力将发挥更重要的作用。而在LPBF加工过程中消除孔隙的主要驱动力是热毛细力,并不是通常认为的浮力。

SLM Study_3随着毛孔向凹陷区移动,加速度增加

a 温度梯度G 的变化,从熔化前沿(熔化期间的固液界面)到凹陷区壁。温度梯度朝向凹陷区壁增加。

b 通过时间函数表达的速度,随着毛孔向凹陷区壁移动而加速。

c 随着毛孔向凹陷区壁移动,加速度增加。误差线表示标准偏差(sd)(加工情况:激光功率为310 W,扫描速度为1 m s -1)

SLM Study_4孔隙动力学和消除机制。示意图显示了LPBF加工过程中孔隙运动的动力学和孔隙消除机制

block 通过热毛细管力消除毛孔

科学家们已经对AlSi10Mg和Ti6Al4V合金进行了实验。通过两种合金中的热毛细力实现了孔隙消除,这表明热毛细力驱动的孔隙消除机制不限于特定的合金系统。

总之,科学家们通过协同结合复杂的原位实验和多物理场建模,找到了一种有效消除金属3D打印中毛孔的机制。3D科学谷期望这里揭示的热毛细力驱动的毛孔消除机制可以为开发实现无孔3D打印的方法开辟途径,以释放3D打印技术的全部潜力

此外,热毛细力驱动的毛孔消除机制也对孔隙演化很重要,对温度梯度的广泛研究和工程领域有积极的影响,例如激光抛光,激光熔覆,焊接,熔体纺丝,核反应反应堆和化学反应器的研究。

名词解释:曳力是流体对其中有相对速度的固体施加的力这个力与相对速度方向相反其实就是相对运动阻力,只不过阻力是相互施加的,而曳力是明确指定流体对固体施加的力。对于曳力来说,压力阻力是其中一部分,还有摩擦阻力的贡献。 

参考资料:Pore elimination mechanisms during 3D printing of metals/Nature Communications volume 10/Article number: 3088 (2019)

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