高熔點金屬材料的增材製造的三維（3D）打印方法正在航空航天和生物醫學領域中得到應用，憑藉3D打印我們能以中等產量生產高價值且幾何形狀複雜的零部件。然而，金屬材料的三維打印存在著限制其更廣泛應用的一個嚴重障礙，那就是如何去理解在通過光束加熱粉末或金屬絲層的熔化逐層堆積過程中發生的變化。例如，我們對於僅有幾個顆粒厚的金屬粉末層中的能量在打印過程中吸收變化情況就知之甚少。
3D打印金屬部件
近日，美國加州大學聖塔芭芭拉分校材料系Khairallah等人在Science刊發論文，他們系統研究金屬材料三維打印過程的一系列變化發生的原因並且初步建立了高分辨率的多物理場模型。他們使用粉末動力學的原位X射線同步加速器觀測與熱力學和流體動力學模型耦合的方法，研究了在粉末顆粒尺度上的能量吸收情況。他們發現在沒有粉末的平板上，通過添加不同量的粉末可以提高低激光功率下的吸收率，但是當激光功率接近200 W，是否存在粉末就變得不那麼重要了。
高能激光器可用於3D打印
在金屬板粉末印刷中，循環線性掃描或者用電子或激光束預先選擇的圖案重複點熔就會形成零件層，重複此過程我們就可以構建數百或數千層的不同對象。因此在理想情況下，就可以通過連續調整印刷工藝參數，從而在印刷部件的中獲得所需的材料結構。
在宏觀層面上，必須合理調整激光器功率，光束形狀，掃描速度和脈衝持續時間以及掃描模式等，以實現良好的局部熔化條件。例如，在每個邊緣上打印一個2.5 cm的簡單立方體通常需要大約3至6km的線性軌道熔化，或者500萬至3000萬個單獨的點熔。這就要求我們對該3D打印路徑過程中的激光能量吸收、粉末顆粒運動、熔汽化、流體流動、熱傳遞、合金組成元素的質量傳遞、固體成核、殘餘應力的累積以及固態演化的物理過程進行預測和控制，以確保可重複打印高質量的對象。
我們知道材料的最終性能由材料的結構控制，而3D打印的金屬材料的結構源自加工（印刷）參數以及加工引起的缺陷的大小、分佈和特徵。而考慮到粉末顆粒的複雜動力學過程，將加工物理學與結構和缺陷形成過程聯繫起來具有極大挑戰性。比如在熔化事件附近，激光束對粉末和下面的印刷基材的強烈加熱會產生蒸汽羽流，這些蒸汽羽流會導致顆粒“退縮”，進一步遠離加熱區域。
Khairallah 等人研究了3D打印形成一條穿過50μm厚的鈷鎳合金粉末層的短熔體軌跡，該粉末層放置在同一合金片的頂部，合金片材主要由一種大晶粒組成，該晶粒在熔融層中表現出持續的生長，但在熔融道頂部的區域除外，在該區域中由於粉末顆粒到達熔融池頂部而形成了新的微晶。3D斷層掃描數據集表明，粉末顆粒的到來導致不同方向的多個晶體成核（由顏色差異表示）。但是產生這種不尋常的粉末顆粒軌跡的物理學及其對於下一個印刷層的結構擾動的含義尚不十分清楚。
Khairallah等人研究的短熔體軌跡
Khairallah 等人繼續研究這種粉末動力學與不鏽鋼中缺陷形成的關係。他們發現打印過程中存在的一個特殊問題是熔體的“飛濺”，即液滴或夾帶的粉末顆粒會從熔池中飛濺排出，並且可在金屬3D打印的視頻中觀察到以火花或煙霧的形式出現。他們進一步在高能同步加速器成像環境中的高分辨率打印過程中觀察了飛濺事件和相關的粉末動力學。
傳統金屬切割加工工藝形成的"飛濺"
為了將觀察到的動力學與缺陷形成的物理學聯繫起來，他們對“預燒結”粉末床建模，其中在激光束預熱過程中，顆粒與相鄰顆粒進行初步融合。預燒結床可以減少電子束增材製造中的粉末運動，但在過程建模中受到的關注有限。
Khairallah 等進一步建立高分辨率的多物理場模型揭示了飛濺顆粒在預燒結床頂部的作用並觀察到一些先前未知的影響，這些影響是由於激光束與沉積或運動中的飛濺物的相互作用而產生的。激光束與先前沉積的飛濺物的相互作用在熔池深度中產生波動，這增加了在低激光功率下由於缺乏粉末熔合而形成缺陷的可能性。而且，根據它們相對於掃描束的位置，飛濺粒子可能會破裂，從而導致缺陷部位數量的增加。另外，運動中的飛濺粒子可能會遮擋激光束，干擾激光能量的沉積並導致孔的形成。
有了從模擬和同步加速器成像中獲得的有關物理學的詳細知識，這為之後開發金屬材料3D打印的宏觀模型奠定基礎，即可根據激光功率和激光掃描速度繪製材料結構精準驅逐軌跡和刻蝕狀態。這種對物理現象的“升級”，適用於在金屬3D打印過程中發生的各種複雜現象，最終將建立使用這些技術作為可靠的全面生產工具，還可以設計出專門適應針對金屬3D打印過程的物理特性而設計的新合金，從而擴展了目前非常有限的可打印金屬材料套件。
參考文獻:
https://science.sciencemag.org/content/368/6491/583
https://www.piqsels.com/zh/search?q=%E6%9C%BA%E6%A2%B0%E5%8A%A0%E5%B7%A5
