导读：局部激光-粉末床相互作用所固有的工艺不稳定性导致激光粉末床融合(LPBF)增材制造过程中形成各种缺陷。特别是，大飞溅物的随机形成会导致打印部件出现不可预测的缺陷。本文报告了通过使用纳米粒子控制激光-粉末床相互作用不稳定性来消除大飞溅物。大飞溅的消除导致3D打印样品具有良好的一致性和高性能。纳米粒子对熔池波动的控制消除了液体破裂引起的大飞溅；(2)纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。此处发现的纳米粒子能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，为实现缺陷贫金属增材制造提供了一种潜在的方法。
激光粉末床熔合(LPBF)使用聚焦的高能激光束选择性地熔化金属粉末的薄层，从而将计算机辅助设计模型直接转换为零件。高空间分辨率使LPBF能够制造具有传统制造路线无法实现的复杂几何形状的金属零件，如图1a所示，这有可能彻底改变许多工业（例如，航空航天、医疗、国防）。然而，粉末床的聚焦激光加热会造成严重的工艺不稳定性，从而导致各种缺陷的形成，如图所示。当高能激光束撞击粉末床时，局部激光加热导致表面沸腾，形成强烈的蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力将熔体表面向下推以形成蒸汽凹陷（也称为凹陷区或小孔）；蒸气射流的高速向上蒸气流将粉末和液滴喷射出去，形成飞溅物，并诱导周围气体流向激光束，从而引起粉末夹带。
由于激光吸收率对入射角的强烈依赖性，不均匀的能量吸收导致不均匀的汽化，从而导致熔池表面（液-气界面）上的反冲压力不均匀。不均匀的反冲压力引起液气界面的波动，进而引起激光能量吸收和蒸气压的波动。相互支撑的能量吸收涨落和液面涨落导致了激光-粉床相互作用的强烈不稳定性，例如熔池/汽洼涨落和气流驱动的飞溅碰撞。蒸汽下降波动导致熔池中的液体破裂和气体驱动的飞溅碰撞会导致形成大的飞溅物（此处定义为尺寸大于100μm的飞溅物）。
大飞溅的随机形成是LPBF工艺中不可预测的缺陷形成的主要原因，也是质量控制的一大挑战，因为它可能导致严重的加工故障（例如，粉末床不均匀性、表面凹坑、成球、熔道变形)和部件中的缺陷（例如，缺乏熔合孔隙、夹杂物）。由不可预测的缺陷引起的零件质量不一致是LPBF在各个行业中广泛采用的*突出障碍，特别是对于任务关键型应用。先前优化加工条件的努力可以改变飞溅的数量，但不能消除大飞溅，因为调整加工参数不能改变激光与粉末床15的局部相互作用的内在性质。消除大飞溅物的随机形成仍然是一个挑战。
在这里，威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系研究团队展示了通过使用纳米粒子来控制激光-粉末床相互作用来消除大飞溅物，这导致3D打印具有良好一致性和增强性能。我们的原位高速同步加速器X射线成像实验表明，纳米粒子通过同时稳定熔池波动和控制液滴聚结来消除所有类型的大飞溅物。我们在这里发现的方法和机制提供了一种实现缺陷精益金属增材制造的潜在方法。相关研究成果在国际著名期刊《Nature》子刊上发表。
