氧化是定向能量沉積（Directed Energy Deposition, DED）增材制造過(guò)程的常見(jiàn)問(wèn)題。通常，過(guò)度氧化被認(rèn)為是對(duì)材料性能有害的。因此科研人員一般會(huì)采取辦法盡量降低增材制造過(guò)程中材料的氧化程度，從而避免其對(duì)材料性能的負(fù)面影響。然而，近期科研人員發(fā)現(xiàn)，適度的氧化卻可以在保證較高的材料力學(xué)性能下，大幅度提高增材制造過(guò)程中材料的沉積效率。

針對(duì)激光輔助增材制造過(guò)程中的氧化行為及其對(duì)材料沉積效率、性能等的影響，廣東省科學(xué)院智能制造研究所畢貴軍團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)、澳大利亞斯威本科技大學(xué)、上海航空裝備制造總廠有限公司以及華南理工大學(xué)進(jìn)行了深入研究。研究人員分別在惰性氣體箱可控惰性氣體氛圍和僅利用送粉噴嘴的局部惰性氣體保護(hù)氛圍中打印了316L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)，局部惰性氣體保護(hù)氛圍下沉積過(guò)程中主要會(huì)生成Cr/Si/Mn的氧化物，并且氧化物會(huì)聚集、漂浮、覆蓋在熔池表面，最終形成一層約50微米厚的表面氧化層，因此材料表面氧含量高達(dá)2811 ppm，而材料內(nèi)部的氧含量只有804 ppm，遠(yuǎn)低于表面；在可控惰性氣體氛圍中打印的材料則表面（229 ppm）和內(nèi)部（220 ppm）均保持了較低的氧含量。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，表面氧化層的存在可以大大降低沉積材料的表面激光反射率（14.5%），從而提高能量利用率，導(dǎo)致沉積過(guò)程中更高的熔池溫度（2300-2400?℃），更多的材料熔化和更大的熔池體積，最終獲得了更高的沉積效率（3.13g/min）和材料利用率（78.3%）。而較低的表面氧含量則帶來(lái)了較高的表面激光反射率（71%），從而大大降低了激光能量利用率，導(dǎo)致較低的熔池溫度（1700-1800℃），最終使得沉積效率（2g/min）和材料利用率（50%）均大大降低。從性能上看，可控惰性氣體氛圍中打印的316L獲得了完美的強(qiáng)度、韌性結(jié)合（YS 560 MPa, UTS 717 MPa, Elongation 64%），而在局部惰性氣體保護(hù)氛圍中打印的316L由于晶粒長(zhǎng)大、氧化物聚集等原因，性能（YS 456 MPa, 631MPa, Elongation 57%）雖有所降低，卻仍遠(yuǎn)高于ASTM A240/240M標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能（YS 170 MPa, UTS 485 MPa, elongation 40 %）。該研究揭示了增材制造金屬材料表面氧化過(guò)程的機(jī)理，確定了其對(duì)材料性能與沉積效率的影響規(guī)律，為合理利用表面氧化調(diào)控材料性能與沉積效率奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 激光輔助增材制造不銹鋼316L實(shí)驗(yàn)裝置：(a)局部氬氣保護(hù)，(b) 氬氣箱可控氬氣保護(hù)

圖2 激光輔助增材制造不銹鋼316L樣品的表面及橫截面：(a)(c)局部氬氣保護(hù)，

(b)(d) 氬氣體箱可控氬氣保護(hù)

圖3 激光輔助增材制造不銹鋼316L的BSE圖像：(a)局部氬氣保護(hù)，(b)氬氣箱可控氬氣保護(hù)，(c)沉積態(tài)不銹鋼 316L中氧化物的尺寸分布。

圖4 激光輔助增材制造不銹鋼316L激光反射與材料表面氧化過(guò)程：(a)局部氬氣保護(hù)，(b)氬氣箱可控氬氣保護(hù)

圖5 激光輔助增材制造不銹鋼316L的EBSD結(jié)果：(a)(c)晶界走向圖，(b)(d)晶界圖，(e) (f)晶粒大小分布，(a)(b)(e)局部氬氣保護(hù)，(c)(d)(f)氬氣箱可控氬氣保護(hù)

圖6 激光輔助增材制造不銹鋼316L力學(xué)性能

相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Manufacturing Processes（中科院工程技術(shù)一區(qū)top期刊）上，張理為第一作者，畢貴軍、陳小奇、周偉為通訊作者。該研究獲得了廣東省科學(xué)院發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助。

論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.02.032

供稿：省科學(xué)院智能制造所

撰稿：畢貴軍

審稿：黃丹??范清??郭澤宜

校稿：徐超??肖捷??章震