激光增材制造氧化调控材料力学性能与沉积效率

近日，广东省科学院智能制造研究所研究员团队毕贵军与合作者，研究通过表面氧化调控增材制造金属材料的力学性能与沉积效率。相关成果发表于《制造工艺杂志》（Journal of Manufacturing Processes）。

氧化是定向能量沉积增材制造过程的常见问题。通常，过度氧化被认为是对材料性能有害的。然而，近期科研人员发现，适度的氧化却可以在保证较高的材料力学性能下，大幅度提高增材制造过程中材料的沉积效率。

针对激光辅助增材制造过程中的氧化行为及其对材料沉积效率、性能等的影响，毕贵军团队联合新加坡南洋理工大学、澳大利亚斯威本科技大学、上海航空装备制造总厂有限公司以及华南理工大学等研究人员进行了深入研究。他们分别在惰性气体箱可控惰性气体氛围和仅利用送粉喷嘴的局部惰性气体保护氛围中打印了316L不锈钢，发现局部惰性气体保护氛围下沉积过程中主要会生成Cr/Si/Mn的氧化物，并且氧化物会聚集、漂浮、覆盖在熔池表面，最终形成一层约50微米厚的表面氧化层，因此材料表面氧含量高达2811 ppm，而材料内部的氧含量只有804 ppm，远低于表面；在可控惰性气体氛围中打印的材料则表面（229 ppm）和内部（220 ppm）均保持了较低的氧含量。

进一步研究发现，表面氧化层的存在可以大大降低沉积材料的表面激光反射率（14.5%），从而提高能量利用率，导致沉积过程中更高的熔池温度（2300-2400 ℃），更多的材料熔化和更大的熔池体积，最终获得了更高的沉积效率（3.13g/min）和材料利用率（78.3%）。而较低的表面氧含量则带来了较高的表面激光反射率（71%），从而大大降低了激光能量利用率，导致较低的熔池温度（1700-1800℃），最终使得沉积效率（2g/min）和材料利用率（50%）均大大降低。

从性能上看，可控惰性气体氛围中打印的316L获得了完美的强度、韧性结合（YS 560 MPa，UTS 717 MPa，Elongation 64%），而在局部惰性气体保护氛围中打印的316L由于晶粒长大、氧化物聚集等原因，性能（YS 456 MPa，631MPa，Elongation 57%）虽有所降低，却仍远高于ASTM A240/240M标准中规定的性能（YS 170 MPa，UTS 485 MPa，Elongation 40 %）。

该研究揭示了增材制造金属材料表面氧化过程的机理，确定了其对材料性能与沉积效率的影响规律，为合理利用表面氧化调控材料性能与沉积效率奠定了理论基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.02.032