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        增材制造(AM)，是一种用于三维(3D)数字模型切片逐层叠加制造物理对象的过程。其中粉末床熔化(PBF)因其高尺寸精度和可靠的机械性能，在精密金属零件的生产中占据主导地位。由于聚焦激光束的能量输入导致熔池温度升高，金属粉末熔化，并且还会发生大量汽化现象，降低LPBF成型零件的质量。

        近日，清华大学的温鹏课题组等人针对LPBF过程中金属汽化的影响和机理进行了全面的研究总结。该研究发现，金属汽化主要取决于熔池和周围气氛的温度，并在很大程度上影响成型过程中能量、动量和质量的传递。粉末剥落、羽流、飞溅、未熔合和气孔等关键形成问题与金属汽化密切相关。为了抑制金属汽化导致的负面影响，需要有足够的能量输入和优化的循环气氛。此外，汽化副产物也可用于质量监测，并可定量检测元素的汽化损失，从而调节组成分布。

本期谷.专栏将分享这项研究的核心内容。

相关研究发表在Materials & Design

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110505

 研究要点

       对于一般的LPBF过程，大量的汽化现象主要体现为粉末剥落、羽流、飞溅和小孔孔洞等加工现象（图1-4）。通过原位同步辐射X射线成像可以直接观察到在各个加工条件下小孔的存在（图5）。在LPBF过程中能量输入引起熔池内的高温，并对汽化和小孔的产生进行了解释。在小孔的产生的过程中，能量强度Ei(Ei=4P/πd2)起主导作用。一般能量强度在106W/cm2以上可以获得良好的融合质量和高的尺寸精度。

图1 （a）LPBF期间的汽化及其产物以及（b）通过纹影成像汽化羽流

图2 粉末剥蚀：（a）放大图像，（b）具有不同能量输入的图片，（c）高速成像结果，（d）模拟结果

图3 通过高速成像观察到的飞溅：（a）和（c）光学和（b）X射线图片

图4 LPBF工艺的典型缺陷：（a）缺乏熔融和气体诱导的孔隙率以及（b）匙孔诱导的孔隙率

图5 在Ti6Al4V板LPBF期间通过X射线成像观察到的匙孔：（a）P-V图上的匙孔形貌，匙孔和熔池过渡中的变化用蓝色和红色虚线标记；匙孔深度作为激光功率在不同扫描速度下的函数，激光光斑尺寸为95μm（b）和140μm（c），匙孔形貌及其所得熔池为红色，激光光斑尺寸为140μm，固定激光照射下激光功率为156W

LPBF过程中金属的汽化主要取决于激光能量输入、材料性质和加工气氛。它随着激光能量输入的增加（图5）和加工压力的降低（图6）而增大。低沸点的金属有很高的汽化倾向，如锌、镁、铝、锰及其合金（图7）。金属汽化对粉末剥落、羽流、飞溅、未熔合、气孔和合金元素的损失具有决定性的影响（图1-4）。对于稳定的LPBF工艺，需要有足够的激光能量输入（图8）和高效的气体循环系统（图9），以抑制汽化的负面影响，获得稳定的成形质量。另外，汽化副产物可用于质量监测，并可定量检测元素的汽化损失，以调节组成分布。（图10）

图6 加工压力（a）和成分（b）-（e）对LPBF工艺的影响

图7 （a）饱和蒸气压，以及（b）各种纯金属的汽化通量

图8 激光能量对LPBF孔隙率的影响：(a)纯锌和Ti6Al4V的加工窗口，(b)Ti6Al4V的小孔孔隙率，(c)与转折点不同距离处的孔深，以及(d)抑制孔隙率的功率图

图9 (a)无气体循环系统的镁合金LPBF过程中的汽化羽流，以及(b)和(c)有气体循环系统的纯锌LPBF过程中的汽化羽流

图10 (a)和(b)飞溅的图像和相应的矢量图形，以及(c)-(f)各种轨迹和相应的声音信号

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