近日，新加坡國立大學蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）能源與環(huán)境納米科技創(chuàng)新平臺研究員閆文韜及團隊成員在國際學術期刊《材料學報》（Acta Materialia）上發(fā)表研究成果。研究團隊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的復雜機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅為增材制造領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，隨著不斷發(fā)展，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）已成為制造復雜幾何形狀部件的主要方法之一。這種技術的優(yōu)勢在于其能夠在微米級的精度下加工金屬材料。然而，在LPBF工藝中，金屬熔池表面會與制造環(huán)境中的氣體發(fā)生反應，特別是氧氣會與液態(tài)金屬發(fā)生劇烈的氧化反應。過度的氧化會導致材料表面潤濕性差、球化效應增強，甚至產(chǎn)生裂紋，最終影響構(gòu)件的機械性能和使用壽命。盡管目前大多數(shù)機器通過充入氬氣等惰性氣體來減少氧化反應，但完全消除這些反應仍然不可能。隨著人們對工藝中的氣液金屬反應機制的理解逐步加深，相關領域研究人員開始探索如何利用這種反應來生成有益的沉淀物，從而增強材料的性能。然而，這些反應過程中的具體機制尚未完全闡明，且實驗結(jié)果往往對相同現(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隊成員開發(fā)了一種高保真模型，通過考慮擴散與化學反應的競爭、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。實驗結(jié)果驗證了模擬的準確性，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，氧會通過低氧化物的蒸發(fā)釋放，導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，整體氧含量會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

應用前景

氣體和金屬熔液的反應是一個復雜的現(xiàn)象。該研究模型將相關的物理與化學互動考慮在內(nèi)，提供了合理的解釋與實用指導。無論是在增材制造中想減少氧化或增強氣體反應率的研究都可以從此研究提供的模型獲得相關訊息，進一步優(yōu)化實驗參數(shù)并實現(xiàn)打印目標。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。本研究的多物理場模型還可以為其他金屬材料和氣體反應系統(tǒng)提供借鑒，有望推動增材制造技術在更廣泛的材料體系中的應用。

新國大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術，開展原創(chuàng)性、應用性研究，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強關聯(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。新國大蘇研院致力于推動科技成果轉(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。目前，研究院承擔各級科研項目170余項，在國際著名期刊發(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。