激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion）能夠精確高效地制備復雜結構，是一種重要的金屬3D打印技術。然而，由此產生的孔隙缺陷一直都阻礙著這項技術在疲勞敏感型應用領域的進一步發展。其中，在高功率、低掃描速度激光熔融條件下產生的鎖孔（keyhole, vapor depressions）現象就與孔隙的產生緊密相連。
來自美國阿貢實驗室的研究人員使用超高速同步X射線影像來定量研究在粉末床增材制造金屬的過程中激光熔化金屬時氣體壓差（又叫匙孔效應或小孔效應）．盡管從焊接和熔化的橫截面的事后檢查中可以對匙孔效應進行觀察分析，但直接使用高能X射線影像技術對匙孔效應的形貌和動力學觀察,卻可以窺見不一樣的世界:1,匙孔存在于粉末床3D打印時激光功率和掃描速度所組合的區間內;2激光功率密度變化時存在一個從熱傳導到匙孔效應焊接時嚴格定義的門檻值;3這一過渡允許蒸發,液相表面的壓差,不穩定和深的匙孔效應的形成.以上這些和其他方面則為粉末床3D打印提供了基本的物理知識.
圖1 在靜止激光照射時熔池和蒸汽壓差的演化過程圖
圖解:(A) 熔池開始形成 . (B) 小且穩定的蒸汽壓差開始形成 . (C) 蒸汽壓差的穩定生長 . (D) 蒸汽壓差的不穩定性開始形成 . (E和 F)蒸汽壓差的形狀開始快速的變化 . (G和H)蒸汽壓差開始周期性的波動 . (I 和 J) 熔池形狀開始自準半圓形到雙峰形(碗口朝上,矛頭在底部的中間)的變化,此時的樣品為 Ti-6Al-4V 板材,激光的光斑尺寸為 140 μm, 激光功率為 156 W. 熔池的形狀在 (E) 和(J)中使用紅色來顯示.
金屬3D打印是一類可以自CAD數字模型直接制造出復雜的３D形狀的先進制造技術.其中粉末床3D打印技術是一種常見的３D打印技術，使用高能激光掃描來選擇性的熔化預鋪設的粉末形成CAD預設的三維實體．高的能量密度和低的掃描速度會導致形成的熔池形狀為窄且呈半圓形的形狀（稱之為熱傳導模式）向深且窄的形狀（匙孔效應）過渡．３D打印中的匙孔效應，眾所周知，同氣孔的形成密切相關．形成的大的氣孔后由于氣孔會成為裂紋的萌生源而影響到材料的疲勞壽命．匙孔效應是一種氣體填充的壓差，在焊接中可謂眾所周知，同時匙孔效應還同液相金屬中的氣化密切相關．我們當前對匙孔效應的形成是基于非直接的對熔池在凝固后進行橫截面的觀察來實現的，有時候還結合對熔池表面和氣體孔洞進行視頻影像的觀察．激光照射時功率密度的重要性已經被理解，但文獻中主要集中在同穿透深度的相關規律的研究上，考慮的是光束的寬度．
圖2 在靜止的激光照射時得到的匙孔效應 打孔時的結果
圖解：(A和 B) 蒸汽壓差在不同的激光功率,光斑尺寸為5和 140 μm的時候的穿透情況,其過渡發生在幾乎是同一蒸汽壓在給定光斑尺寸時的蒸汽壓的深度條件下,較小的光斑尺寸具有較淺的臨界深度 . (C) 激光打孔的速率隨著過渡后功率密度的變化圖 . 黑色的點劃線是預波動打孔時的線性擬合
來自美國阿貢實驗室的研究人員使用超高速同步X射線影像技術來對采用靜止激光照射和移動掃描模式下的可視化Ti6Al4V鈦合金的熔化和蒸汽壓差(匙孔效應)的發展演化情況進行了觀察分析.這一團隊及其其他研究者在早先的報道中公開過基于AM的同步Ｘ射線實驗結果．如硬X射線具有高度的空間分辨率（２微米）和時間分辨率（５０到４００ＫＨｚ），這是美國阿貢實驗室先進聲子中心（ＡＰＳ）在目前的先進水平．借助此裝置，研究人員觀察到了蒸汽壓差（匙孔效應）存在于幾乎所有的同LPBF相關的工藝狀態下，當蒸汽壓差的形狀和尺寸變化較大時．這一結果同我們通常所認為的熱傳導到匙孔效應的過渡同孔隙率和熔池的高寬高比的結果是一致的.而且,激光打孔時和移動激光束時匙孔效應的相似性是顯而易見的.總而言之,我們的高分辨率的數據可視化的揭示了從熱傳導效應到匙孔效應的關于打孔,匙孔效應的深度,匙孔效應的入射角和額外的功率密度之間的關系.
圖3 在P-V關系途中的匙孔效應 的形貌變化結果
圖解:(A)對Ti-6Al-4V 合金板在光斑尺寸為95μm時,X射線影像得到的群像圖像，表明了蒸汽壓差的尺寸和形貌的變化 ， 蒸汽壓差和熔池的過渡，測量的是靜止的激光束實驗結果，如２A等.采用藍色和紅色的點劃線分別標示出來 . (B和 C) 蒸汽壓差的深度隨激光功率在不同掃描速度下的結果,激光光斑分別為 95 μm (B)和 140 μm (C) .誤差表在SD處表示出來.
在熔池和蒸汽壓差(匙孔效應)在靜止的激光照射時的演化,我們發現了五個顯著不同的行為區域:1熔化,2蒸汽壓差(匙孔效應)的形成和發展,3蒸汽壓差的不穩定性,4 匙孔效應的形成和發展,5熔池形狀的變化(圖1).當我們打開激光后,金屬開始熔化,固體-液體界面由于X 射線吸收的對比度而清晰可見(圖1A).當表面溫度接近沸點的時候,局部的蒸汽壓形成蒸汽壓差(見圖1B).這一壓力驅動液相的升起和離開塌陷區,此時在一個相對固定的速率條件下生長,直到它開始波動(見圖1c).緊接著,蒸汽壓差從窄且半圓形向深和圓錐形的的塌陷區過渡(見圖1D),在這一過渡之后,蒸汽壓差快速的穿過熔池,表明液相的物質位移從激光光斑中心開始.當蒸汽壓差在材料中以非常快的速度穿過材料中時,液相-氣相界面劇烈的波動(見圖1E到H).在蒸汽壓差波動后,熔池迅速的從準靜態的半圓形向雙峰的形態發展(碗口朝上,矛頭在底部的中間,見圖1 Ｅ到Ｊ);這解決了早期從熱傳導到匙孔效應的不穩定性問題.
圖4 匙孔深度,入射前壁的角度和激光功率密度之間的關系
圖解:(A) Ti-6Al-4V 合金板的蒸汽壓差的Ｘ射線影像結果, 表示出蒸汽壓差的深度，ｄ，入射壁的角度θ. (B) 匙孔的深度和前入射角度的示意圖 . (C) 前入射角度的理論計算值（點劃線）和實驗測量結果的比較，實驗條件為光斑尺寸為95 和140 μm． (D)匙孔的深度隨著前入射角度的切線變化的結果，此時的光斑尺寸為 95-μm
作者基于光斑尺寸D和施加的激光功率來測量了每幅圖中蒸汽壓差的最大深度.我們發現了一個非常清晰的過渡,大約在5毫秒的時間內,此時熔池生長緩慢,從單獨的熱傳導和快速穿透和匙孔形成中分離出來. 導致這一過渡區從給定光斑尺寸的非線性減少.我們同時觀察了打孔速率在匙孔區域隨著功率增加的情況.物質波動的情況隨著匙孔的形成的發生,意味著測量一個精確的打孔速率所經受的誤差取決于測量的持續時間.
理解金屬打印的工藝窗口的邊界條件對重復制造無缺陷的部件是至關重要的.我們直接觀察了和識別了在采用靜止激光進行實驗時的狀況以及蒸汽壓差隨工藝參數變化時熔池形貌的變化.激光增材制造時和激光焊接時兩個主要的參數為激光功率和及該動態激光掃描速度,即P-V空間關系圖.同靜止激光實驗不同,靜止空間圖所不同的是,幾乎所有功率和速度的組合,盡管在傳統的激光實驗時,在不同的激光功率時幾乎呈現出相似的行為(見圖3A以及動圖S2-S6).同日常所觀察到的P-V圖所不同的是,幾乎所有的功率和速度的組合,盡管在傳統的匙孔區域顯示出深且窄的蒸汽壓差,此時才定義為匙孔和此時在較粗糙的尺度下呈現出深的穿透焊接深度.結合靜止和動態移動掃描,如圖3A所示，僅在藍色點線區域下方屬于熱傳導占主導的區域．較高的功率和較低的掃描速度條件下的Ｐ－Ｖ區一般為不穩定的匙孔區，此時易于形成圓形氣孔，也許同匙孔具有較大的縱橫比相關.此時,入射角大約在匙孔的底部開始穩定.如圖3為測量的蒸汽壓深度隨著激光功率和光斑尺寸為95到140微米時的變化的情況,見圖3B和c.
文章來源:Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting，Science 27 Nov 2020:
Vol. 370, Issue 6520, pp. 1080-1086，DOI: 10.1126/science.abd1587
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