激光增材制造氧化調控材料力學性能與沉積效率

近日，廣東省科學院智能制造研究所研究員團隊畢貴軍與合作者，研究通過表面氧化調控增材制造金屬材料的力學性能與沉積效率。相關成果發表于《制造工藝雜志》（Journal of Manufacturing Processes）。

氧化是定向能量沉積增材制造過程的常見問題。通常，過度氧化被認為是對材料性能有害的。然而，近期科研人員發現，適度的氧化卻可以在保證較高的材料力學性能下，大幅度提高增材制造過程中材料的沉積效率。

針對激光輔助增材制造過程中的氧化行為及其對材料沉積效率、性能等的影響，畢貴軍團隊聯合新加坡南洋理工大學、澳大利亞斯威本科技大學、上海航空裝備制造總廠有限公司以及華南理工大學等研究人員進行了深入研究。他們分別在惰性氣體箱可控惰性氣體氛圍和僅利用送粉噴嘴的局部惰性氣體保護氛圍中打印了316L不銹鋼，發現局部惰性氣體保護氛圍下沉積過程中主要會生成Cr/Si/Mn的氧化物，并且氧化物會聚集、漂浮、覆蓋在熔池表面，最終形成一層約50微米厚的表面氧化層，因此材料表面氧含量高達2811 ppm，而材料內部的氧含量只有804 ppm，遠低于表面；在可控惰性氣體氛圍中打印的材料則表面（229 ppm）和內部（220 ppm）均保持了較低的氧含量。

進一步研究發現，表面氧化層的存在可以大大降低沉積材料的表面激光反射率（14.5%），從而提高能量利用率，導致沉積過程中更高的熔池溫度（2300-2400 ℃），更多的材料熔化和更大的熔池體積，最終獲得了更高的沉積效率（3.13g/min）和材料利用率（78.3%）。而較低的表面氧含量則帶來了較高的表面激光反射率（71%），從而大大降低了激光能量利用率，導致較低的熔池溫度（1700-1800℃），最終使得沉積效率（2g/min）和材料利用率（50%）均大大降低。

從性能上看，可控惰性氣體氛圍中打印的316L獲得了完美的強度、韌性結合（YS 560 MPa，UTS 717 MPa，Elongation 64%），而在局部惰性氣體保護氛圍中打印的316L由于晶粒長大、氧化物聚集等原因，性能（YS 456 MPa，631MPa，Elongation 57%）雖有所降低，卻仍遠高于ASTM A240/240M標準中規定的性能（YS 170 MPa，UTS 485 MPa，Elongation 40 %）。

該研究揭示了增材制造金屬材料表面氧化過程的機理，確定了其對材料性能與沉積效率的影響規律，為合理利用表面氧化調控材料性能與沉積效率奠定了理論基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.02.032