研究表明：氦气保护可减少金属3D打印的孔隙，提高零件性能！
在增材制造领域，如何提升制备零件的性能与致密性一直是困扰研究人员的一大问题。近日，来自美国西北大学的团队采用同步辐射和近红外成像技术探究了在氮气和氩气氛围中对激光粉末床熔融（LPBF）工艺的影响，并发现虽然氦气对零件冷却几乎没有影响，但它可以通过降低有效能量吸收来抑制不稳定的匙孔，从而减少匙孔孔隙的产生并在某些加工条件下减小孔隙尺寸。这些结果为在激光增材制造中战略性使用环境气体以生产质量更好的零件提供了指导。
不同气氛下匙孔的动力学探究
研究团队探究了在Ti-6Al-4V基板激光熔融过程中，使用不同环境气体对匙孔动力学的影响，在功率-速度（P-V）图像下发现，使用氦气环境可以将匙孔孔隙边界(从蓝色到橙色虚线曲线)向左移动，从而扩大了稳定匙孔的区域。在确定的激光功率为200W的情况下，不同扫描速度条件下的小波时频图显示，使用氦气保护可以抑制匙孔的不稳定振荡。
P-V图像
不同扫描速度条件下的小波时频图
不同气氛下匙孔的形成与尺寸影响
研究团队在使用Al6061的粉末下，设置层厚为100µm，并尝试了多种激光扫描速度，发现在扫描速度在500mm/s时，使用氦气保护可以明显减小匙孔和熔池尺寸，有助于提高零件的致密度。
不同扫描速度下氩气和氦气的熔池形貌（红色部分）与匙孔大小
至于为什么氦气氛围中的匙孔深度较小，研究人员认为，为了达到相同的匙孔深度或前壁角，在氦气环境中，需要向系统输入更多的能量。这意味着在相同的能量密度输入下，氦气氛围会使得能量损失更多，因此最终沉积在熔池匙孔的能量更小，从而导致形成的匙孔更小更浅。
不同气氛对零件冷却速度的影响
研究人员利用近红外成像技术（NIR）对熔池进行了监测，如下图所示，他们发现无论是氦气还是氩气，都不会对金属的熔点产生显著影响（曲线的转折平台即为熔点对应位置），金属熔点在气体进入前后变化非常小。
研究人员利用NIR监测熔点
此外，他们将激光进行关闭后对熔池也进行了监测，发现即使是在不同的气氛环境下，金属的冷却速度保持一致，证明金属的冷却速度受到气体氛围的影响不大，这说明在进行零件加工时，采用氩气或者氦气并不会造成因冷却速度改变而影响精度的事故。
激光关闭后金属在氩气和氦气中的冷却速度变化曲线图
不同气氛下对粉末吸入和熔池形态的影响
从机理层面来讲，研究人员认为：
1. 氦气由于密度较小，产生的蒸汽喷流速度更快，导致粉末吸入更强烈；而氩气由于密度较大，蒸汽喷流速度较慢，粉末吸入较弱。
2. 尽管总熔池深度在两种气体环境下相似，但氦气和氩气对熔池深度和高度的影响是不同的。氦气由于更强的粉末吸入，导致熔池高度更大。但同时氦气的蒸汽速度更快，导致能量耗散更大，有效能量沉积更小，从而使熔池深度更浅。
总之，尽管两种气体环境下总熔池深度相似，但它们对熔池深度和高度的影响是不同的，机理也有所不同。
尽管氦气成本较为高昂，在工业生产中并不是最优选择，但是作为基础研究，采用密度几乎比常用的惰性气体低一个数量级的氦气可以为以后LPBF大规模制造高质量高致密度的工业零件提出指导和参考依据。
虽然氦气在增材领域的重要性在这篇文章中被重点探讨，但并不意味着氩气一无是处。首先，在钛合金等粉末制备过程中，需要使用高纯度氩气雾化粉末，以此确保产品的低氧、低氮含量；其次，在3D打印过程中，氩气起到保护熔融过程防止氧化的作用；在间接金属3D打印的后烧结以及打印后的热处理阶段，需要氩气气氛保护。在成本控制方面，氩气已经可以做到回收再利用，例如3D打印技术参考的一篇文章介绍了陕西迪凯机电科技有限公司研发的智能化撬装式氩气回收装备，从而实现企业的降本增效。
氮通过溶解到金属基体中并细化晶粒结构来提高强度
LPBF中惰性气体的重要性不言而喻，有时他们除了起到防止氧化的作用之外，还有可能进入到金属的晶格间隙中达到固溶强化的目的，进而提升材料的力学性能。例如，南方科技大学的研究者以纯Ti为原料，N2为气态活性成分，通过精确控制Ar-N2复合气氛的成分配比和打印参数，成功实现了纯Ti的大幅度强韧化，通过设置合理的打印参数，可以在较大的工艺窗口内形成缺陷少、成分均匀的Ti-N间隙固溶体，进而人为调节气氛以强化纯Ti的强度、塑性、硬度等性能，这也为后续对3D打印气氛的研究提供了新的思路。#3D打印##增材制造#
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