激光粉末床熔融 (PBF-LB)是一种基于粉末的增材制造(AM)技术，由于可以生产近净形产品，因此受到了工业界和研究界的广泛关注更好的设计精度。作为一个新兴领域，PBF-LB仍需应对制造业巨大适应性的各种挑战。其中一个挑战是每次构建后未消耗的粉末的可重复使用性，以降低成本并提高过程的可持续性。然而，与原始状态相比，加工过程中积累的杂质和粉末氧化会降低粉末的质量，并通过引入缺陷影响制造部件的再现性和性能一致性。最近，一些研究讨论了PBF-LB工艺中的粉末降解机制。在PBF-LB期间，未消耗粉末中飞溅的产生和积累是主要的粉末降解机制。飞溅是PBF-LB工艺不可避免的副产品，在激光-熔化-粉末相互作用期间产生。根据飞溅的来源，飞溅可以是熔化的/部分熔化的、热的或冷的。由于PBF-LB工艺通常在残留氧气为1000ppm的惰性气氛中进行，飞溅物会与这些残留氧气相互作用并被氧化。不可忽略的氧化飞溅物的大小与原料粉末相似，并且在筛分后将保留在重复使用的粉末中。此类飞溅物在粉末床中的积累会对制造部件的性能产生不利影响。一项针对AlSi10Mg粉末可重复使用30个月（5000机器小时）的研究表明，在重复使用30个月后，极度氧化的飞溅颗粒数量达到3%以上，即使粉末经过翻新并添加原生粉末进行补偿消耗的粉末。随后的一项研究和其他一些关于粉末再利用影响的研究表明孔隙率增加和机械性能下降。另一项关于HX合金的研究表明，飞溅的存在会增加随机缺陷的发生，因为飞溅颗粒的氧化表面会导致缺乏熔合缺陷。因此，降低飞溅产生和氧化的程度以降低粉末降解速率是很重要的。
飞溅的产生受激光功率、扫描速度、层厚和零件几何形状等工艺参数的影响。激光功率和扫描速度决定熔池温度，调节蒸发和反冲压力。更高的激光功率和更低的扫描速度会导致更大的能量输入，因此通常会产生大量飞溅物。此外，使用原位监测系统的研究表明，热白炽灯飞溅的数量随着粉末层厚度的增加而增加。最后，Chen等人。研究了使用晶格结构的零件几何形状对飞溅产生的影响，发现具有较高厚度和较大悬垂结构的晶格会增加飞溅的产生。工艺气体的纯度和性质有助于减少飞溅产生和氧化的程度。Raza等人最近的一项研究。在合金718上研究了残留氧对飞溅氧化程度的影响，发现从1000ppm到20ppm残留氧含量的大气纯度可以减少70%的吸氧量。一项研究表明，构建室中残留氧气含量的减少可以减少产生的飞溅物的数量。此外，关于处理气体对飞溅形成影响的研究表明，在处理TiAl6V4合金时，与Ar气体相比，使用He可以减少飞溅产生的程度。He气氛中飞溅物数量的减少归因于He的热导率比Ar气体高10倍。然而，对于加工气氛对飞溅氧化程度的影响，目前还缺乏了解。
图2 EOS M290 的构建室，其中 a) 显示了收集飞溅样品的气体入口和出口，b) 显示了放置铜板以收集冷凝物的气体出口
在该研究中，研究了大气气体对TiAl6V4合金加工过程中飞溅颗粒的形成和氧化的影响。使用了三种不同的气体，包括Ar、He和两者的混合物。图2显示了激光粉末床融合过程中飞溅和气体的收集结构示意。研究结论如下：•与纯氩相比，在ADDvance®Laser230气氛中，在气氛中引入He可将产生的飞溅量减少多达30%。•通过燃烧进行的大量化学分析表明，在氩气中收集的飞溅颗粒中氧(70%)、氢(300%)和氮(>300%)的增加量最高，其次是氩-氦和氦。在Ar/He混合物和He中收集的样品具有类似的氧气拾取。这可能与氦气的导热系数高于氩气有关。氦气的较高电导率有助于更快地冷却飞溅物，从而限制氧化时间。•飞溅物与原始粉末的形态比较表明，在原始颗粒上不存在的飞溅物表面形成了氧化物颗粒。飞溅颗粒也以不同方式氧化，其中一些飞溅表面在表面上具有颗粒状氧化皮。
图3 飞溅样品的Ti6Al4V粉末形态的比较
•XPS分析表明，氧化皮主要由富铝和钛基氧化层组成。富铝氧化物的厚度比均匀的氧化物层厚，表明形成了富铝氧化物颗粒。•通过XPS分析测量的平均氧化层厚度还表明，氧化层厚度几乎翻了一番，从原始粉末到在氩气氛中收集的飞溅物，从原始粉末的约7.2nm到约13.5nm，约11nm和12nm在Ar、Ar-He和He中分别在PBF-LB处理过程中采样的飞溅。•AES分析表明，根据飞溅的来源及其与激光和熔池相互作用的性质，飞溅具有不同程度的氧化。AES分析证实，在溅射物上形成氧化皮的粒状氧化物由混合的铝钛氧化物组成。•NanoSIMS分析证实，原始粉末上覆盖着一层薄薄的氧化物层，该氧化物层由钛基氧化物和一些氧化铝组成，而飞溅物的氧化铝含量明显更高。铝基和钛基氧化物之间的重叠表明存在混合氧化物。该研究表明，加工气体强烈影响产生的飞溅量和氧化程度。由于氦气的导热系数较高，在大气中引入氦气可以大大减少飞溅产生的数量以及飞溅氧化的程度。基于飞溅对粉末可重复使用性的不利作用，这对提高粉末可重复使用性具有重大影响，因此可以降低成本，提高PBF-LB工艺的稳健性和可持续性。
来源：增材制造硕博联盟
