减少30%的飞溅，通过氦气降低成本，提高3D打印工艺L-PBF的稳健性
气体是影响激光粉末床熔化过程中的重要因素，特别是，气体的纯度、密度和导热性会强烈影响飞溅的产生、热历史和氧化。 了解大气与飞溅特性的关系对于提高粉末的可回收性和整个过程的可持续性至关重要。 《Effect of processing gas on spatter generation and oxidation of TiAl6V4 alloy in laser powder bed fusion process》这篇论文通过综合表面分析气体对 TiAl6V4 的PBF-LB 激光粉末床熔化3D打印加工过程中飞溅产生和氧化的影响。
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相关研究发表在Applied Surface Science上
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222036170?via%3Dihub
研究方法
论文研究了纯 Ar氩、(Ar氩+He氦) 和 He 氦气体对 TiAl6V4 处理过程中飞溅产生和氧化的影响。为了评估它们对杂质拾取和飞溅物形态的影响，进行了整体化学分析和扫描电子显微镜检查。使用包括 X 射线光电子能谱、俄歇电子能谱和纳米二次离子质谱在内的分析工具，对飞溅物表面氧化物的性质和厚度进行了全面检查。
图 a) 原始粉末样品通过L-PBF工艺加工在不同气体下的表现 b) Ar氩气、c) Ar氩+He氦混合物和 d) He 氦气中获得的 Ti6Al4V 粉末形态的比较。
© ScienceDirect
大量化学分析表明，从原始到在标准氩气氛中发生的飞溅，氧含量增加了 70%，氮含量增加了 3 倍。对于添加了He 氦气体的气氛，杂质的增加要低得多。表面分析表明，飞溅表面覆盖有一层均匀的富含钛和铝的氧化物层以及铝基氧化物颗粒。
研究结论
与纯氩相比，在气氛中引入 He氦气可将产生的飞溅量减少多达 30%。
通过大量化学分析表明，在氩气中收集的飞溅颗粒中氧 (增加70%)、氢 (增加300%) 和氮 (增加超过300%) 的增加量最高，其次是Ar氩+He氦和He氦气。He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，飞溅颗粒也以不同方式氧化，其中一些飞溅表面上具有颗粒状氧化皮。
XPS 分析表明，氧化皮主要由富铝和钛基氧化层组成。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，在溅射物上形成的氧化皮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L-PBF激光粉末床熔化3D打印工艺的稳健性和可持续性。
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