在增材制造领域,传统激光粉末床熔融技术长期面临粉末消耗量大、残余应力大、微观结构调控难、材料强度与韧性难以兼顾等瓶颈。针对这一挑战,清华大学机械工程系林峰教授团队提出了一种液态金属辅助液浮粉末床激光增材制造技术(LMA-LPBF)。
该方法的核心创新在于采用低熔点金属作为热管理介质,金属粉末通过表面张力稳定漂浮于液态金属表面,替代了传统被动堆叠的粉末床结构,可以显著减少粉末消耗。同时,液锡的高导热性与流动性赋予沉积材料独特的热历史,在保持快速凝固特性的同时,可灵活调控材料的晶粒尺寸与相分布。
研究人员采用自主开发的LMA-L-PBF系统进行样品制备,采用500W IPG光纤激光器,光斑尺寸约为80 μm。LMA-L-PBF 技术将液体Sn集成到构建室中,其高表面张力确保致密材料(例如 316L SS)在整个打印过程中始终保持在液体界面上方。这种创新方法显着减少了所需的粉末数量,并降低了制造过程中粉末和印刷组件的污染风险。此外,液态锡的优越特性——包括高导热性、低熔点和非润湿特性——有助于最大限度地降低印刷作过程中的污染风险。
实验前,用惰性氩气吹扫构建室,以将氧气含量降低到50ppm 以下。随后,在打印过程开始前,将凝固的Sn加热至573K(300 °C)1小时。为了保证液态Sn在氩气气氛中的有效熔化和流动性,并在增材制造过程中平衡液态Sn的导热性和保温性之间的权衡,液态Sn的温度最终保持在573K。
在打印过程中,激光选择性地熔化每一层,然后沉积新的粉末层,重复此迭代过程直至完成。用于机械性能和微观结构分析的样品的制备大约需要12小时。打印后,将组件冷却至室温,同时浸入液态Sn中,该过程持续约2小时。然后将Sn重新加热至其熔点,这需要额外的1小时。
LMA-L-PBF工艺技术具有三个主要特点。最明显的特征来自粉末铺展过程中始终漂浮在液态金属上方的薄薄粉末层,对应于“液漂粉末床”。第二个特点是成型部件完全浸入液态 Sn 中,而不是被被动的逐层粉末堆积所包裹。第三个特点同步热处理工艺不会改变 LMA-L-PBF 的快速凝固特性
研究团队通过该技术,制备出具有异质结构的微合金化奥氏体不锈钢(MA-ASS),相比传统激光增材制造的316L奥氏体不锈钢,强度提升超一倍。
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