激光网2月26日消息，卡内基梅隆大学和匹兹堡大学的研究人员对激光束粉末床熔融的缺陷提出了新的解释。
研究人员的工作重点是PBF-LB 3D打印过程中Inconel Alloy 718中收缩孔隙率的发生。收缩孔隙率是金属铸造中的常见缺陷，当金属从液体转变为固体时就会形成。
在传统的金属铸件中，Niyama准则可用于准确预测收缩孔隙率的形成。然而，这种方法在PBF-LB中的应用以前尚未被探索过。此外，在这项研究之前，还没有已知的启发式方法可以准确预测激光束粉末床熔融 3D 打印中的收缩孔隙率。
研究人员采用了微观结构表征和分析传热模型，这使他们能够对PBF-LB 3D打印中收缩孔隙率的形成进行机理解释。
研究小组发现，Niyama准则无法有效预测金属3D打印过程中收缩孔隙率的发生。此外，还发现激光功率、扫描速度和沉积温度等3D打印工艺参数对收缩孔隙率有直接影响。
研究得出结论，基于凝固冷却速率的新模型可以可靠地预测PBF-LB增材制造中的收缩孔隙率。该团队还发布了收缩孔隙率流程图，可用于通过更改3D打印参数来减轻收缩孔隙率。
“这是第一次有人根据凝固和L-PBF加工原理解释收缩孔隙率的发生，”卡内基梅隆大学机械工程助理教授Sneha Prabha Narra说。
“此外，我们还能够将其映射为加工条件的函数，并以研究人员和工程师在工艺参数开发过程中易于解释的形式呈现这些信息。这之所以成为可能，是因为这个项目具有跨学科和协作的性质。
题为“激光粉末床熔融增材制造中收缩孔隙率的机理解释”的完整研究已发布在《Acta Materialia》杂志上。
当金属在冷却和凝固时体积收缩时，就会发生收缩孔隙率。如果这种收缩没有被剩余的液态金属回填，由于金属流动路径被凝固的微观结构阻挡，最终零件就会变得多孔。
这种缺陷会抑制机械性能，导致泄漏，并最终降低金属零件的功能和可靠性。
在逐层PBF-LB 3D打印过程中，如果这些收缩孔靠近表面，可以通过重熔或在3D打印后加工中去除。但是，如果孔隙在3D打印金属深处形成，则无法去除。
“这些缺陷发生在微观结构的规模上，如果你没有预料到它们，真的很难发现，”该研究的合著者Frieden Templeton解释说。“使用光学显微镜，它们通常看起来像小的抛光划痕。
通过他们的研究，科学家们发现PBF-LB的收缩孔隙率主要是由次级枝晶臂生长驱动的，这是随着金属微观结构的凝固而发生的。
在测试过程中，研究人员在一系列激光功率、扫描速度和沉积温度范围内 3D 打印了大量 PBF-LB 合金 718 零件。研究人员使用EOS M 290 3D打印机进行这些测试。然后将结果添加到一个强大的数据集中，用于调查零件质量。
该团队确定了收缩孔隙率的严重程度与某些3D打印加工条件之间的明显相关性。随着温度和激光功率的增加，以及扫描速度的降低，收缩孔隙率变得更加严重，并在熔池中形成更深的孔隙。
利用这些发现，研究人员在他们的发现中提出了收缩孔隙率过程图。这些可以在金属增材制造的工艺设计和控制阶段利用，使制造商能够通过3D打印参数减少和防止收缩孔隙率。
邓普顿补充道：“这将特别影响研究人员和制造商，他们致力于开发在接近500°C的高温下打印的工艺参数，并打印易受局部温度积聚影响的复杂几何形状。
这不是第一个解决激光束粉末床熔融3D打印局限性的研究项目。2021 年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员探索了如何使用激光束整形来减少金属 3D 打印零件的孔隙率和缺陷。
研究人员没有使用传统的高斯光束，而是探索了更奇特的贝塞尔光束。该团队评估了这些非常规的梁形状是否可以减少孔隙形成和“钥匙孔”，即在熔池中产生气泡，从而在成品零件中形成孔隙。
在其他地方，一组中国和美国的研究人员发现了一种粉末床熔融3D打印的“速度极限”，在这个极限下，零件缺陷不太可能发生。研究小组发现，激光经常导致3D打印物体表面形成J形气泡，如果它们破裂，就会产生空隙，从而削弱零件的结构完整性。
确定扫描激光的速度太慢会导致合金过热，从而产生气泡。因此，该团队找到了一个“安全速度”，超过这个速度就可以制造出高质量的组件。
