用高保真模型揭示金属增材制造过程的复杂机制 | 新国大苏研院闫文韬团队发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）能源与环境纳米科技创新平台研究员闫文韬及团队成员在国际学术期刊《材料学报》（Acta Materialia）上发表研究成果。研究团队通过高保真模型揭示了金属增材制造过程中气体与熔池反应的复杂机制。这一发现不仅为增材制造领域提供了深入的理论支持，也为优化制造过程和开发新型材料开辟了新途径。

研究背景

3D打印又称增材制造技术，随着不断发展，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）已成为制造复杂几何形状部件的主要方法之一。这种技术的优势在于其能够在微米级的精度下加工金属材料。然而，在LPBF工艺中，金属熔池表面会与制造环境中的气体发生反应，特别是氧气会与液态金属发生剧烈的氧化反应。过度的氧化会导致材料表面润湿性差、球化效应增强，甚至产生裂纹，最终影响构件的机械性能和使用寿命。尽管目前大多数机器通过充入氩气等惰性气体来减少氧化反应，但完全消除这些反应仍然不可能。随着人们对工艺中的气液金属反应机制的理解逐步加深，相关领域研究人员开始探索如何利用这种反应来生成有益的沉淀物，从而增强材料的性能。然而，这些反应过程中的具体机制尚未完全阐明，且实验结果往往对相同现象给出不同的解释。

研究结果

为了深入理解这一现象，闫文韬助理教授及团队成员开发了一种高保真模型，通过考虑扩散与化学反应的竞争、亚氧化物蒸发以及蒸汽羽流的影响，来模拟金属增材制造过程中的氧质量传递过程。实验结果验证了模拟的准确性，提出了在金属增材制造过程中氧演化行为的新见解。其中，与直觉相悖的是更高的熔池温度并不一定导致更高的氧化速率。在熔池形成的过程中，形成了“高氧化率”与“低氧化率”区域。在某些材料中，一旦低氧化物蒸汽的分压超过金属气体，氧会通过低氧化物的蒸发释放，导致熔池中氧含量减少。因此，熔化过程中整体氧含量的变化还取决于材料的属性。此外，在多轨扫描时，整体氧含量会随着氧化物和低氧化物的释放逐渐演变至稳定状态。

▲熔池演化过程中的氧传质示意图

应用前景

气体和金属熔液的反应是一个复杂的现象。该研究模型将相关的物理与化学互动考虑在内，提供了合理的解释与实用指导。无论是在增材制造中想减少氧化或增强气体反应率的研究都可以从此研究提供的模型获得相关讯息，进一步优化实验参数并实现打印目标。此外，研究为增材制造中的成本节约提供了可能性。例如，通过精确控制制造过程中保护气体的纯度，可以在不影响产品质量的前提下减少氩气的使用量。本研究的多物理场模型还可以为其他金属材料和气体反应系统提供借鉴，有望推动增材制造技术在更广泛的材料体系中的应用。

新国大苏研院的科研工作聚焦前沿技术，开展原创性、应用性研究，与产业发展强关联，与苏州工业园区及地方科技深融入，已建立生物医疗与健康、能源与环境纳米两大科技创新平台。新国大苏研院致力于推动科技成果转化落地工作，希望通过研究产生有影响力的高科技创新产品，赋能地方产业升级。目前，研究院承担各级科研项目170余项，在国际著名期刊发表了1200余篇有影响力的科研论文，其中4篇发表在Nature母刊，39篇发表在Nature子刊。