編輯推薦：激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業(yè)，但孔隙率問題仍然是它的致命弱點。本文針對這一問題進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的機制，理清了關(guān)于孔隙起源的一些問題。
當前，激光粉末床熔合是一種占主導地位的金屬3D打印技術(shù)。然而，孔隙缺陷仍然是制約其應(yīng)用的一個重要挑戰(zhàn)。有些孔隙與深而窄的匙孔蒸汽凹陷有關(guān)，并通常發(fā)生在高功率、低掃描速度的激光熔化條件下。高速X射線成像，使得人們能夠觀察到小孔形成過程的細節(jié)，由此可知這些小孔是由小孔尖端的嚴重不穩(wěn)定性引起的。為了解決這個問題，近日，來自清華大學的Cang Zhao& 美國卡內(nèi)基梅隆大學的Anthony D. Rollett & 弗吉尼亞大學的Tao Sun等研究者，通過實驗，結(jié)果表明，小孔孔隙率在功率-速度空間的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。相關(guān)論文以題為“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”于2020年11月27日發(fā)表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1080
激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業(yè)。在典型的LPBF工藝中，在數(shù)字計算機輔助設(shè)計與制圖(CADD)模型的指導下，用高功率密度的激光掃描薄薄的粉末層，對金屬粉末進行局部熔化，并將其熔合到前一層。盡管LPBF在直接制造復雜幾何部件方面具有無與倫比的能力，但相關(guān)的孔隙率仍然是它的致命弱點，因為它會損害產(chǎn)品的性能，例如耐腐蝕和疲勞壽命。眾多的研究工作提高了對孔隙度的認識和控制。高速同步X射線成像顯示，在導致氣孔的各種機理中，小孔熔化方式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要地位，近年來引起了廣泛的關(guān)注。
在匙孔式熔煉中，金屬快速蒸發(fā)產(chǎn)生的強大反沖壓力將周圍的熔體液體向下推，形成一個又深又窄的洞，稱為匙孔。在匙孔內(nèi)，激光束經(jīng)過多次反射，大大提高了激光的吸收，提高了能量效率。然而，在某些激光條件下，匙孔壁不斷波動和倒塌。這一過程通常歸因于熱毛細力、馬朗戈尼對流、反沖壓力和氣體等離子體的出現(xiàn)之間的復雜相互作用。這樣的鎖孔不穩(wěn)定會產(chǎn)生孔洞，如果被凝固前沿困住，孔洞就會成為有害的結(jié)構(gòu)缺陷。
功率-速度(P-V)映射，直接聯(lián)系產(chǎn)品質(zhì)量(密度或孔隙率)與工藝參數(shù)(有時與掃描間距)，為LPBF用戶提供了一個有效的啟發(fā)式工具。在P-V圖的物理基礎(chǔ)中，一個缺失的部分是所謂的匙孔孔隙邊界，是否明確和可重復，而它將生產(chǎn)名義上完全致密的零件的加工條件與那些有氣孔的分離開來。
此外，在LPBF中，與激光熔化裸板相比，粉末的存在與更大的小孔波動和更大的孔隙形成有關(guān)。然而，對邊界和任何由粉末引起的位移缺乏量化。關(guān)鍵孔孔隙形成的相關(guān)時空尺度要求亞納秒時間分辨率、微米空間分辨率和兆赫幀率。這些正是同步加速器X射線成像的領(lǐng)域，使研究者能夠研究鎖眼孔的形成。
在此，研究者使用第三代高能光源operando高速X射線成像，通過定量勾勒出小孔孔隙邊界，完成了P-V圖中缺失的部分，闡明了粉末效應(yīng)，揭示了小孔氣孔的根本起源及其在LPBF過程中的初始運動。該樣品是一個很薄的Ti-6Al-4V板(厚度約為400 μm)，在某些實驗中，頂部有一層粉末，夾在兩塊玻璃碳板之間。一束具有高斯分布的連續(xù)波模式的激光束以不同的功率(P)和速度(V)沿一條直線掃描樣品。同時，研究者在高幀率(50-5000 kHz)下記錄了高空間分辨率(2.0-3.0 μm/pixel)和時間分辨率(0.1-7500 ns)的全視野X射線圖像。
圖1 激光熔煉中的小孔氣孔、邊界及粉末的作用。
圖2 孔隙邊界上的匙孔縮放和波動。
圖3 匙孔不穩(wěn)定引起的聲波驅(qū)動下的匙孔孔的形成和運動。
綜上所述，研究者通過operando高速同步X射線成像中，發(fā)現(xiàn)P-V空間中小孔孔隙率和穩(wěn)定熔點之間的邊界出乎意料的光滑和尖銳，只隨著粉末的存在而略有變化。在接近這個孔隙邊界的地方，研究者發(fā)現(xiàn)了一種新的機制，這種機制導致了小的球狀孔隙的形成：激光-金屬高動態(tài)相互作用過程中產(chǎn)生的聲波，在使小孔附近的孔洞遠離小孔周圍的大熱梯度場，從而使小孔在凝固過程中被困住的過程中，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。除此之外，在低功率水平，二級機制導致了孔隙捕獲作為一個波動匙孔塌縮和收縮；拖曳力也可以將孔從縮回的匙孔中拉出。
在更廣泛的尺度上，不僅明確定義的匙孔孔隙邊界的存在，為預測過程窗口提供了更安全的基礎(chǔ)，而且對邊界附近小孔隙是如何產(chǎn)生的，有了新認識，也理清了LPBF文獻中關(guān)于孔隙起源的一些混淆。
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