新加坡國大蘇研院：用高保真模型揭示金屬增材制造過程的復雜機制
高保真模型通常涉及熱傳遞、流體動力學、化學反應和物質傳遞等多個物理場的耦合。這種耦合模擬能夠更準確地描述金屬增材制造過程中的復雜現象。在激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造技術中，激光與粉末床相互作用產生的高溫熔池可能會與周圍環境中的氣體（如氧氣）發生反應。高保真模型能夠模擬這些相互作用，包括熔池表面對氣體的吸收、溶解和反應。通過模擬，研究人員可以更好地理解氧化反應對材料性能的影響，并探索如何通過調整工藝參數來控制這些反應，以減少缺陷如球化和裂紋的產生。模型能夠揭示熔池內部氧濃度的分布，包括高氧化率和低氧化率區域的形成，這對于預測和控制最終產品的微觀結構和機械性能至關重要。不同材料對氧的親和力不同，高保真模型能夠考慮材料屬性對氧傳輸和反應機制的影響，為特定材料的加工提供定制化的解決方案。
通過模型的預測能力可以幫助研究人員優化LPBF等增材制造工藝，例如通過調整激光掃描速度、功率、保護氣體類型和流量等參數，以減少氧化和其他不良反應。高保真模型為金屬增材制造過程中氣體與熔池反應的復雜機制提供了深入的洞察，這對于提高制造質量、優化工藝參數和開發新材料具有重要的實際意義。
近日，新加坡國立大學蘇州研究院在揭示金屬增材制造過程復雜機制的高保真模型方面獲得了重要進步。
© 鉑力特
▲https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424003811
© 新國大蘇研院
高保真模型為金屬增材制造過程中氣體與熔池反應的復雜機制提供了深入的洞察，這對于提高制造質量、優化工藝參數和開發新材料具有重要的實際意義。
工藝優化：模型的預測能力可以幫助研究人員優化LPBF等增材制造工藝，例如通過調整激光掃描速度、功率、保護氣體類型和流量等參數，以減少氧化和其他不良反應。
新材料開發：對氣體與熔池反應機制的深入理解可以促進新型材料的開發，特別是那些通過精確控制反應來產生所需微觀結構和性能的材料。”
3D科學谷發現
3D Science Valley Discovery
關鍵點：
新加坡國立大學蘇州研究院的這項研究的重要性體現在以下幾個方面：
理論深化：研究提供了對LPBF過程中氣體與熔池相互作用的深入理解，特別是在氧氣與液態金屬反應方面的機制。
模型創新：團隊開發的高保真模型能夠模擬氧質量傳遞過程，考慮了擴散與化學反應的競爭、亞氧化物蒸發以及蒸汽羽流的影響，這些都是影響金屬增材制造質量的關鍵因素。
新見解：研究發現了熔池溫度與氧化速率之間非直覺性的關系，以及在熔池形成過程中“高氧化率”與“低氧化率”區域的存在，這些新見解有助于優化LPBF工藝。
材料屬性考慮：研究指出，熔化過程中整體氧含量的變化不僅受到工藝條件的影響，還取決于材料本身的屬性，這對于新型材料的開發具有指導意義。
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優化過程和開發新材料
近日，新加坡國立大學蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）能源與環境納米科技創新平臺研究員閆文韜及團隊成員在國際學術期刊《材料學報》（Acta Materialia）上發表研究成果。研究團隊通過高保真模型揭示了金屬增材制造過程中氣體與熔池反應的復雜機制。這一發現不僅為增材制造領域提供了深入的理論支持，也為優化制造過程和開發新型材料開辟了新途徑。
研究背景
3D打印又稱增材制造技術，隨著不斷發展，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）已成為制造復雜幾何形狀部件的主要方法之一。這種技術的優勢在于其能夠在微米級的精度下加工金屬材料。
然而，在LPBF工藝中，金屬熔池表面會與制造環境中的氣體發生反應，特別是氧氣會與液態金屬發生劇烈的氧化反應。過度的氧化會導致材料表面潤濕性差、球化效應增強，甚至產生裂紋，最終影響構件的機械性能和使用壽命。盡管目前大多數機器通過充入氬氣等惰性氣體來減少氧化反應，但完全消除這些反應仍然不可能。
隨著人們對工藝中的氣液金屬反應機制的理解逐步加深，相關領域研究人員開始探索如何利用這種反應來生成有益的沉淀物，從而增強材料的性能。然而，這些反應過程中的具體機制尚未完全闡明，且實驗結果往往對相同現象給出不同的解釋。
研究結果
為了深入理解這一現象，閆文韜助理教授及團隊成員開發了一種高保真模型，通過考慮擴散與化學反應的競爭、亞氧化物蒸發以及蒸汽羽流的影響，來模擬金屬增材制造過程中的氧質量傳遞過程。實驗結果驗證了模擬的準確性，提出了在金屬增材制造過程中氧演化行為的新見解。
其中，與直覺相悖的是更高的熔池溫度并不一定導致更高的氧化速率。在熔池形成的過程中，形成了“高氧化率”與“低氧化率”區域。
在某些材料中，一旦低氧化物蒸汽的分壓超過金屬氣體，氧會通過低氧化物的蒸發釋放，導致熔池中氧含量減少。因此，熔化過程中整體氧含量的變化還取決于材料的屬性。
此外，在多軌掃描時，整體氧含量會隨著氧化物和低氧化物的釋放逐漸演變至穩定狀態。
▲熔池演化過程中的氧傳質示意圖
應用前景
氣體和金屬熔液的反應是一個復雜的現象。該研究模型將相關的物理與化學互動考慮在內，提供了合理的解釋與實用指導。無論是在增材制造中想減少氧化或增強氣體反應率的研究都可以從此研究提供的模型獲得相關訊息，進一步優化實驗參數并實現打印目標。
此外，研究為增材制造中的成本節約提供了可能性。例如，通過精確控制制造過程中保護氣體的純度，可以在不影響產品質量的前提下減少氬氣的使用量。本研究的多物理場模型還可以為其他金屬材料和氣體反應系統提供借鑒，有望推動增材制造技術在更廣泛的材料體系中的應用。
來源
新國大蘇研院 l用高保真模型揭示金屬增材制造過程的復雜機制 | 新國大蘇研院閆文韜團隊發表科研成果
新加坡國立大學蘇州研究院
（簡稱：新國大蘇研院）
新國大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術，開展原創性、應用性研究，與產業發展強關聯，與蘇州工業園區及地方科技深融入，已建立生物醫療與健康、能源與環境納米兩大科技創新平臺。新國大蘇研院致力于推動科技成果轉化落地工作，希望通過研究產生有影響力的高科技創新產品，賦能地方產業升級。目前，研究院承擔各級科研項目170余項，在國際著名期刊發表了1200余篇有影響力的科研論文，其中4篇發表在Nature母刊，39篇發表在Nature子刊。
論文：
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