使用激光粉末床熔融和合金，打印无缺陷的金属零件

近日，美国德州农工大学研究团队发表了最新研究成果，他们使用激光粉末床融合3D打印技术与金属合金，实现了均匀、无缺陷的零件打印。期间，研究人员系统地研究了合金成分对微观结构的可印刷性和凝固性的影响，以更好地了解合金成分、工艺参数和热力学是如何影响最终零件的成型。

通过3D打印实验，研究团队定义了优化合金性能和3D打印卓越的、相同的微型零件所需的合金化学成分和工艺参数。此外，研究人员通过使用机器学习创建公式，用于任何类型的合金打印，以帮助防止出现不均匀性。

■研究人员开发的新方法可以优化合金特性和工艺参数，图片显示的是研究中使用的镍粉合金的彩色电子显微照片（来源：Raiyan Seede）

用于增材制造的合金金属粉末可以包含不同浓度的金属混合物，例如镍、铝和镁。在激光粉末床融合3D打印过程中，这些粉末在激光束加热后会迅速冷却。合金粉末中的不同金属具有不同的冷却性能，并以不同的速度凝固。这种不一致性，会导致打印的产品产生微观缺陷。

“当合金粉末冷却时，个别金属会沉淀出来，”团队成员Raiyan Seede研究员说，“想象一下将盐倒入水中。当盐的量很少时会立即溶解，但是随着倒入更多的盐，不溶解的多余盐颗粒开始以晶体形式沉淀。从本质上讲，这就是金属合金在打印后迅速冷却时发生的情况。”这种缺陷表现为“小口袋”状的形式，其中包含的金属成分浓度与打印部件其他区域的金属成分浓度略有不同。

研究人员研究了4种二元镍基合金的凝固微观结构。在实验中，他们还研究了每种合金在不同温度和镍基合金中其他金属浓度不断增加的情况下的物理相。研究人员使用详细的金相图确定每种合金的化学成分，这些成分会在增材制造过程中引起最少的微观缺陷。

■镍锌合金单次激光扫描横截面的扫描电子显微镜图像（来源：Raiyan Seede）

接下来，研究人员在不同的激光设置下熔化单一轨迹的合金金属粉末，并确定可提供无孔隙零件的激光粉末床融合工艺参数。从金相图中获得的信息与实验结果相结合，为团队提供了对激光参数设置和镍基合金成分的全面分析，这些分析可以产生无孔隙的打印部件，而不会出现微观缺陷。

随着合金在增材制造中使用的增加，打印满足或超过标准质量零件的挑战也将增加。德克萨斯大学的研究团队将使制造商能够优化合金化学和工艺参数，以便专门为增材制造设计合金，并有效地控制打印产品的微观结构。

“我们的方法简化了不同成分合金在增材制造中的成功使用，而无需担心引入缺陷，即使是在微观尺度上，”团队成员Ibrahim Karaman教授说，“这项工作将对航空航天、汽车和国防行业大有裨益，这些行业一直在寻找更好的方法来制造定制化金属零件。”