近日,，新加坡國(guó)立大學(xué)蘇州研究院（以下簡(jiǎn)稱“新國(guó)大蘇研院”）能源與環(huán)境納米科技創(chuàng)新平臺(tái)研究員閆文韜及團(tuán)隊(duì)成員在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）上發(fā)表研究成果。研究團(tuán)隊(duì)通過高保真模型揭示了金屬增材制造過程中氣體與熔池反應(yīng)的復(fù)雜機(jī)制,。這一發(fā)現(xiàn)不僅為增材制造領(lǐng)域提供了深入的理論支持,，也為優(yōu)化制造過程和開發(fā)新型材料開辟了新途徑。

研究背景

3D打印又稱增材制造技術(shù),，隨著不斷發(fā)展,，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）已成為制造復(fù)雜幾何形狀部件的主要方法之一,。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠在微米級(jí)的精度下加工金屬材料,。然而,，在LPBF工藝中，金屬熔池表面會(huì)與制造環(huán)境中的氣體發(fā)生反應(yīng),，特別是氧氣會(huì)與液態(tài)金屬發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng),。過度的氧化會(huì)導(dǎo)致材料表面潤(rùn)濕性差、球化效應(yīng)增強(qiáng),，甚至產(chǎn)生裂紋,，最終影響構(gòu)件的機(jī)械性能和使用壽命。盡管目前大多數(shù)機(jī)器通過充入氬氣等惰性氣體來減少氧化反應(yīng),，但完全消除這些反應(yīng)仍然不可能,。隨著人們對(duì)工藝中的氣液金屬反應(yīng)機(jī)制的理解逐步加深，相關(guān)領(lǐng)域研究人員開始探索如何利用這種反應(yīng)來生成有益的沉淀物,，從而增強(qiáng)材料的性能,。然而，這些反應(yīng)過程中的具體機(jī)制尚未完全闡明,，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往對(duì)相同現(xiàn)象給出不同的解釋,。

研究結(jié)果

為了深入理解這一現(xiàn)象，閆文韜助理教授及團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)了一種高保真模型,，通過考慮擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng),、亞氧化物蒸發(fā)以及蒸汽羽流的影響，來模擬金屬增材制造過程中的氧質(zhì)量傳遞過程,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性,，提出了在金屬增材制造過程中氧演化行為的新見解。其中,，與直覺相悖的是更高的熔池溫度并不一定導(dǎo)致更高的氧化速率,。在熔池形成的過程中，形成了“高氧化率”與“低氧化率”區(qū)域,。在某些材料中,，一旦低氧化物蒸汽的分壓超過金屬氣體，氧會(huì)通過低氧化物的蒸發(fā)釋放,，導(dǎo)致熔池中氧含量減少,。因此，熔化過程中整體氧含量的變化還取決于材料的屬性,。此外,，在多軌掃描時(shí)，整體氧含量會(huì)隨著氧化物和低氧化物的釋放逐漸演變至穩(wěn)定狀態(tài),。

▲熔池演化過程中的氧傳質(zhì)示意圖

應(yīng)用前景

氣體和金屬熔液的反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象,。該研究模型將相關(guān)的物理與化學(xué)互動(dòng)考慮在內(nèi)，提供了合理的解釋與實(shí)用指導(dǎo),。無論是在增材制造中想減少氧化或增強(qiáng)氣體反應(yīng)率的研究都可以從此研究提供的模型獲得相關(guān)訊息,，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)打印目標(biāo),。此外，研究為增材制造中的成本節(jié)約提供了可能性,。例如,，通過精確控制制造過程中保護(hù)氣體的純度，可以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下減少氬氣的使用量,。本研究的多物理場(chǎng)模型還可以為其他金屬材料和氣體反應(yīng)系統(tǒng)提供借鑒,，有望推動(dòng)增材制造技術(shù)在更廣泛的材料體系中的應(yīng)用。

新國(guó)大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術(shù),，開展原創(chuàng)性,、應(yīng)用性研究，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)關(guān)聯(lián),，與蘇州工業(yè)園區(qū)及地方科技深融入，已建立生物醫(yī)療與健康,、能源與環(huán)境納米兩大科技創(chuàng)新平臺(tái),。新國(guó)大蘇研院致力于推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化落地工作，希望通過研究產(chǎn)生有影響力的高科技創(chuàng)新產(chǎn)品,，賦能地方產(chǎn)業(yè)升級(jí),。目前，研究院承擔(dān)各級(jí)科研項(xiàng)目170余項(xiàng),，在國(guó)際著名期刊發(fā)表了1200余篇有影響力的科研論文,，其中4篇發(fā)表在Nature母刊，39篇發(fā)表在Nature子刊,。