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在金屬增材制造（AM）過程中，高含氧量環(huán)境為金屬增材制造帶來諸多不利的影響。氧化物與金屬一般有較差的浸潤與結(jié)合性，導(dǎo)致球化與開裂等現(xiàn)象并降低機械性能。因此，一般的策略是把氧含量盡量調(diào)低。然而，也有研究表明精準調(diào)高環(huán)境氧含量或把氧氣適當引入粉末材料里能增加能量吸收率、結(jié)出良性納米氧化物和提高機械性能，以改善產(chǎn)品質(zhì)量。在這兩種策略下，氧元素的影響成為一個不可忽略的因素，但其物理機理的理解仍然有限。在粉末處理、儲存和制造打印的過程中，金屬與氧氣的接觸是不可避免的。況且，微量的氧元素就足以通過馬朗戈尼效應(yīng)（Marangoni Effect）改變金屬溶液流動趨勢。因此，深入了解氧對增材制造過程的具體影響格外重要。

來自新加坡國立大學(xué)的閆文韜教授研究團隊提出的多物理熱場流體模型，模擬了環(huán)境、粉末及基板氧含量對激光粉末床熔化過程中熔池流動的影響。通過與美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）原位X射線的研究結(jié)果比對，驗證了該模型的準確性。此研究也糾正了對制造過程中熔池流動現(xiàn)象的理解，并解釋了合金里存在的表面活性元素如何改變樣品表面粗糙度。因此，這項工作能進一步為粉末再利用提供實用指導(dǎo)，從而提高增材制造的環(huán)保性。相關(guān)研究成果以“The influence of oxygen content in melt pool dynamics in metal additive manufacturing: High-fidelity modeling with experimental validation”為題發(fā)表在材料學(xué)頂刊Acta Materialia上。

全文鏈接（OA）：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118824  

圖1：多物理場熱流體流動模擬中包含了氧元素溶解和對表面張力的影響，并與原位X射線的研究結(jié)果相驗證。該研究通過模擬證明氧、硫以及它們與金屬液體的相互作用會影響表面張力，改變馬朗戈尼效應(yīng)以及熔池流動，并改變氧元素在熔池中分布。

圖2：Case A與B有0.35 wt.%氧含量。Case A與A’是具有Fe-O系統(tǒng)，而Case B與B’具有Fe-O-S系統(tǒng)。從模擬可看出Case A與A’向內(nèi)的流動會導(dǎo)致富氧區(qū)集中在內(nèi)，而Case B與B’向外的流動會導(dǎo)致富氧區(qū)集中在外。即使把氧含量調(diào)低至0.05 wt.%，Case A’與B’也與原本模擬有著相似的流動趨勢與氧分布。

圖3：Case C和D與Case A和B相似，但把激光功率增加至300 W。Case C是Fe-O表面系統(tǒng)，馬朗戈尼效應(yīng)使熔池向內(nèi)流動。相反地，Case D是Fe-O-S表面系統(tǒng)，馬朗戈尼效應(yīng)使熔池向外流動。這兩種流動趨勢在不改變?nèi)鄢卮笮〉那闆r下，調(diào)節(jié)了氧元素分布。

圖4：（a）EDS實驗結(jié)果的富氧條紋區(qū)域。（b）Case E（Fe-O）與F（Fe-O-S）模擬的富氧條紋的產(chǎn)生。

圖5：熔池流動產(chǎn)生的富氧條紋現(xiàn)象：熔池前部的溶液會向兩側(cè)流出，然后熔池的快速冷卻使這兩側(cè)的溶液凝固，導(dǎo)致富氧條紋的出現(xiàn)。

圖6：從左圖可看出0.05 wt.%氧含量對表面張力與溫度的梯度影響，峰值在2497 K：低于這一點，表面張力與溫度的梯度是正相關(guān)。因此在熔池冷卻過程中，原本向外流動的趨勢會轉(zhuǎn)變成向內(nèi)流動，故而影響最后熔池相貌。

圖7：根據(jù)分析Fe-O與Fe-O-S系統(tǒng)的表面張力與溫度的關(guān)系，可以推斷出硫含量（a2）對鐵合金粉末氧化的影響并對粉末質(zhì)量和重復(fù)使用性做出評估。

該工作通過多物理熱場流體模型研究了氧元素對熔池流動的影響。這項研究證明了氧含量對增材制造的影響不容小覷。由于現(xiàn)在實驗手段與技術(shù)無法檢測氧元素在過程里的運動，本模型可以填補其研究空白，為未來的研究提供模型基礎(chǔ)，為“活性氣體下增材制造”做出計算與預(yù)測。同時，該研究也有潛力通過模擬來為其他合金體系預(yù)測粉末重復(fù)使用的結(jié)果，從而提供實用的指導(dǎo)。