Ti6Al4V材料在激光粉末床熔融工艺中的金属蒸汽冷凝物：采集方法、特性分析及点火行为研究

《Additive Manufacturing》：Metal vapor condensate in laser powder bed fusion of Ti6Al4V: Methods of acquisition, characterization and ignition behavior

本研究针对激光粉末床熔融（L-PBF）中产生的金属蒸汽冷凝物（MVC）展开分析，采用新结合的离线剥离与在线直接基板沉积法收集MVC，并通过SEM、TEM、EDS等手段表征其微观结构（10-60 nm纳米颗粒网络）和化学组成（Al含量达18 wt%）。实验测得MVC点火温度范围为350-450°C，活化能为55 kJ/mol，为优化MVC控制措施提供了理论依据。

　　

亚历山大·蒙泰利奥内（Alexander Montelione）| 莎拉·瓦德尔（Sarah Waddel）| 梅根·博库尔（Megan Bokhoor）| 蒂莫西·P·魏斯（Timothy P. Weihs）| 马米达拉·拉穆卢（Mamidala Ramulu）| 德韦恩·阿罗拉（Dwayne Arola）

美国华盛顿大学材料科学与工程系，西雅图，华盛顿州

摘要

金属蒸汽冷凝物（MVC）是激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造（AM）过程中不可避免的副产品。由于颗粒尺寸小且反应性强，在打印钛合金和铝合金时产生的MVC对机器操作人员在维护和操作过程中存在物理和健康危害。目前对MVC及其点火特性的了解仍然有限。本研究探讨了在L-PBF过程中收集MVC的新方法，以及表征该材料物理和化学性质的方法，并初步量化了其点火行为。研究采用了离体剥离技术和新型原位直接基底沉积方法来收集MVC，以便通过SEM、TEM、EDS、TGA和热丝点火实验进行分析。结果表明，MVC形成了由直径10–60纳米的纳米颗粒组成的复杂微观网络结构，具有非常高的表面积与体积比。化学分析显示，与基础Ti-6Al-4V粉末原料相比，该材料富含铝，铝含量高达18%。测得的点火温度为350–450°C，根据Kissinger方法估算的活化能为55 kJ/mol。这种收集技术和表征方法的结合有助于更深入地了解L-PBF过程中产生的MVC的物理和化学特性，为制定更好的控制措施奠定了基础。

引言

激光粉末床熔融（L-PBF）已成为航空航天和医疗行业增材制造（AM）的重要方法。得益于硬件、机器控制技术的进步以及对工艺物理机制的理解加深，该方法有望改变净成形加工的未来[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，金属AM的快速发展以及废弃物的意外挥发性给工程控制和废物流管理带来了独特挑战，这些因素可能阻碍其进一步工业化[5]。L-PBF中的材料加工涉及选择性熔化粉末床，通过逐层固化金属粉末来制造三维零件[6]、[7]、[8]、[9]。激光与粉末相互作用时产生的快速强烈加热会导致熔池表面达到沸点，从而形成金属蒸汽羽流[10]。这一过程结合熔池动态，会导致金属蒸汽的产生、熔融金属的飞溅以及松散粉末颗粒和熔融金属的喷射[10]、[11]、[12]、[13]。虽然从熔池附近喷射出的松散粉末和熔融液滴具有不同特性，但本研究将所有这些大颗粒统称为“喷射物”，不论其来源如何。理解这一现象的关键在于介质尺寸的差异：喷射物（分散的粉末或熔融液滴）处于微观尺度，而金属蒸汽的冷凝则形成纳米级颗粒。

金属蒸汽羽流在构建室大气中的快速固化形成了金属蒸汽冷凝物（MVC），它由空气中的纳米级颗粒组成[10]、[11]、[14]、[15]。其形成机制和产生的颗粒与惰性气体固化（IGC）中的类似，Simchi等人对此有详细描述[16]。由于纳米颗粒的高表面积与体积比以及组成金属合金的氧化倾向，MVC与氧气具有高度反应性[5]。颗粒的小尺寸也可能对L-PBF机器的操作人员构成呼吸健康风险[5]、[12]、[17]。为了降低MVC的危害并防止正在构建的零件受到环境污染，机器运行期间会在构建表面持续通入惰性气体[7]。这种气体流创造了低氧环境，将空气中的颗粒从构建室扫入气体过滤和循环系统。虽然过滤系统中MVC的积累有助于限制其对构建质量的不利影响，但它仍可能对维护机器和更换过滤器时的操作人员构成火灾或呼吸危害[5]、[18]。目前的风险缓解方法通常包括用惰性基材（如石英或硅砂）覆盖暴露的MVC，并使用灭火化合物（如硅油）来防止反应。然而，这一过程成本高昂且对环境不利[19]。由于对MVC作为材料的理解有限，目前采用的控制措施需要较大的安全裕度以防止不必要的反应。

L-PBF过程中产生的MVC也可能对正在构建的零件造成损害，包括污染先前熔化的表面[10]、[14]以及形成孔隙[11]、[15]、[20]。Agius等人讨论了冷凝物在干扰激光光斑过程中对缺陷生成的影响[14]。在许多金属及其合金（包括不锈钢[11]、[12]、[20]、铝[20]、Inconel[10]和Ti-6Al-4V钛合金[20]、[21]）的L-PBF过程中观察到金属质量的下降。Keaveney等人评估了Ti-6Al-4V ELI（23级）L-PBF过程中的副产品，识别出了MVC并报告了其化学和形态特征[21]。

为了使L-PBF AM在商业航空航天领域实现工业化，即成为制造接近净成形部件的主要方法，必须建立经济高效的废弃物处理方法。然而，根据现有文献，目前对MVC废弃物的理解仍然有限。本研究的目的是详细描述5级Ti-6Al-4V打印过程中产生的MVC，并进一步拓展对该材料的认识。本研究的主要目标是探索收集Ti-6Al-4V粉末激光熔化过程中形成的MVC的方法，并从颗粒大小和形态、成分及点火行为等方面对收集到的材料进行表征。成功的收集和详细表征是理解这种目前了解不足的物质的初步步骤。

部分内容摘要

材料

本研究中使用的原料是EOS（EOS GmbH，德国）提供的5级Ti-6Al-4V粉末。该粉末通过钛丝的等离子体雾化制备而成。尽管本研究中使用的粉末批次不同，但这类粉末的典型成分和特性在表1中有描述。不同批次粉末的重复使用历史不同，可能具有差异

收集结果

图5展示了构建前后收集基底的图像，展示了收集机制及其相对有效性。放置在提取喷嘴内的收集基底明显变暗，证实了在构建过程中MVC沉积在了基底上。每个氧化铝板上原位收集到的材料量因位置和构建次数的不同而有所差异，即使是相同的构建也是如此。总体而言，质量

讨论

MVC的收集量在不同位置的分布以及不同构建之间的变化很大。这一点在图4和图6所示的构建3和构建4的收集结果中尤为明显。这两种构建布局在x轴方向上基本对称，但沿提取喷嘴的收集分布并不对称，尤其是在构建4中。

结论

本研究采用了一种结合原位和离位收集的方法来收集L-PBF AM机器产生的MVC，从而能够对其进行了详细的表征。根据实验评估结果，得出以下结论：

•

收集到的MVC由结构复杂的纳米颗粒网络组成，常形成较大的海绵状层状结构。单个纳米颗粒的尺寸测量值为10–60纳米。

•

SEM-EDS和TEM-EDS显示，该材料具有

CRediT作者贡献声明

德韦恩·阿罗拉（Dwayne Arola）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集、概念构思。蒂莫西·P·魏斯（Timothy P. Weihs）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。马米达拉·拉穆卢（Mamidala Ramulu）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。莎拉·瓦德尔（Sarah Waddel）：撰写 – 初稿撰写、调查、数据分析、数据管理。梅根·博库尔（Megan Bokhoor）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析、数据管理。亚历山大·蒙泰利奥内（Alexander Montelione）：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢联合航空航天技术创新中心（JCATI）以及联邦航空管理局通过先进运输飞机结构材料中心（AMTAS）的支持，使得本研究得以顺利进行。作者还要感谢波音公司的Kay Blohowiak博士和Hsien-Lin（Stacey）Huang博士，以及Sentecor Solutions公司的Marvin Hawkins博士在整个研究过程中提供的技术支持和指导。