導讀：鎖孔孔隙率是激光粉末床熔合 （LPBF） 中的一個關鍵問題，可能會影響部件的疲勞壽命。然而，一些鎖孔孔隙的形成機制仍不清楚，例如鎖孔波動、塌陷和氣泡生長和收縮。研究結果表明（i）鎖孔孔隙度不僅可以在不穩定的情況下啟動，而且還可以在由高激光功率速度條件產生的過渡鎖孔狀態中引發，從而導致快速的徑向鎖孔波動（2.5-10 kHz）；（ii） 過渡機制塌陷往往發生在后壁的一部分；（iii） 鎖孔塌陷后，氣泡由于壓力平衡而迅速增長，然后由于金屬蒸汽冷凝而收縮。在冷凝的同時，氫擴散到氣泡中會減緩收縮并穩定氣泡尺寸。這里揭示的鎖孔波動和氣泡演化機制可能會指導控制系統的開發，以最大限度地減少孔隙率。
激光粉末床熔合 （LPBF） 增材制造正在工業界和學術界的廣泛探索用于金屬零件的生產。在 LPBF 過程中，中等功率（~ 100–1000 W）但緊密聚焦（光斑尺寸~ 20–100 μm）的激光以高速（~0.05–4 ms-1）掃描連續的細金屬粉末層，選擇性地熔化和鞏固粉末以構建完全致密的部分。LPBF 的典型加工結構-性能聯系是：高熱梯度和高冷卻速率（~104–106 Ks-1） 有利于沿構建方向定向的細柱狀晶粒，從而產生通常表現出強度增加、延展性降低、并增加微觀結構和力學性能各向異性具體取決于合金系統。
LPBF 期間的激光通量足以使金屬汽化，產生反沖壓力，將熔融金屬推離激光-物質相互作用區。隨著激光能量密度的增加，反沖壓力大到足以打開一個深的、高縱橫比的蒸汽凹陷，稱為鎖孔。這通常用于激光焊接以實現薄而深的接頭。LPBF 通常以鎖孔模式熔化運行，以確保連續層之間的完全融合。此外，由于激光束沿鎖孔的多次反射，激光吸收率在鑰匙孔熔化中顯著增加，為通過 LPBF 制造高反射率材料（例如，反射率約為 91% 的鋁基復合材料）打開了大門，或者實現了更經濟的用于 LPBF 的激光熱源（例如二極管激光器）不會犧牲構建效率。然而，鎖孔受到軸向波動和徑向擾動的影響，這些擾動由能量和壓力的平衡控制，對鎖孔不穩定構成重大風險，在某些情況下還會坍塌。鎖孔塌陷通常會導致熔池中形成氣泡，氣泡可能會被凝固前沿截留而形成孔隙。保留在最終零件中的小孔可能充當應力集中器和裂紋萌生和擴展的位置，使其可能對疲勞壽命和其他最終部件的機械性能有害。
幾個過程模型解釋了激光焊接和 LPBF 過程中小孔孔隙形成的物理特性，揭示了反沖壓力、表面張力和 Marangoni 對流對鎖孔的交互影響，以及重力、阻力、浮力的競爭影響和對氣泡運動的熱毛細力。最近，原位同步加速器 X 射線成像已應用于 LPBF，捕捉熔池亞表面的小孔和小孔孔隙的一些動態，包括：小孔形態演變；光柵掃描過程中轉折點處的孔隙形成；通過熱毛細力消除孔隙；Marangoni 驅動下的孔隙遷移和孔隙聚結;小孔塌陷發出的聲波將孔隙從小孔尖端推開，以及多層 LPBF期間的孔隙演化。然而，鎖孔形成的動力學仍未完全了解。在被凝固前沿捕獲之前，關鍵孔波動在關鍵孔坍塌和氣泡演化（例如，形成、生長、收縮和遷移）中的作用在很大程度上尚未得到探索。對于后者，先前的研究探討了蒸發和冷凝對過熱液體中水蒸氣氣泡動力學的影響，以及溶解氣體擴散對鑄件中氣泡生長的影響，但尚不清楚蒸發、蒸氣冷凝和溶解氣體擴散影響 LPBF 中的氣泡演化。
在這里，倫敦大學Yuze Huang 和Peter D. Lee等人在商用鋁合金 Al7A77（美國 HRL 實驗室）的 LPBF 期間進行原位同步加速器 X 射線成像，該鋁合金在航空航天、生物醫學和汽車行業具有重要應用，并且在近紅外光譜中具有高激光反射率，對激光加工提出了挑戰。我們在 LPBF 中發現了穩定 （I） 和不穩定 （III） 鎖孔狀態之間的過渡狀態 （II），其中鎖孔形態從 II 中的寬和淺變為 III 中的窄和深。在 II 中也觀察到孔形成，主要存在于后鎖孔壁 （RKW），而鎖孔孔隙率在 III 中更為普遍，孔通常在鎖孔底部形成。盡管一些先前的工作表明鎖孔波動在很大程度上是隨機的，但我們觀察到鎖孔寬度和深度的規律振蕩，在三個鎖孔狀態下具有顯著的趨勢波動頻率。我們發現這些狀態由前鎖孔壁 （FKW） 角很好地定義，對于不同的材料，它折疊為歸一化焓積的單一函數。通過將我們的氣泡模型與實驗數據進行比較，我們發現氣泡動力學是由壓力均衡引起的快速初始增長定義的，然后是由于金屬蒸汽冷凝引起的收縮。在冷凝的同時，氫氣可能會擴散到氣泡中，減緩氣泡收縮并穩定氣泡尺寸。最后研究了氣泡與推進凝固前沿相互作用時的快速變形。相關研究成果以題“Keyhole fluctuation and pore formation mechanisms during laser powder bed fusion additive manufacturing”發表在金屬頂刊nature communications上。
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https://doi.org/10.1038/s41467-022-28694-x
本文揭示了鎖孔的壽命動態（生長、收縮、遷移、與凝固微觀結構的相互作用以及通過推進凝固前沿捕獲），引入了一個閾值，即歸一化焓積，以揭示和闡明不同的小孔生成機制和在 LPBF 的穩定、過渡和不穩定條件下，它們相應的匙孔熔化狀態。我們關于鑰匙孔波動和氣泡動力學的研究結果提供了關鍵指導（例如，氣泡生長/收縮率、孔隙位置和尺寸），以通過使用雙激光 LPBF 機器或混合 LPBF63 重熔實現原位孔隙消除，并通過實時抑制孔隙在廣泛的高能束加工技術（如電子束熔化、小孔激光焊接和激光鉆孔）中對小孔動力學（如光束振蕩）進行時間控制。
圖1 LPBF中的鎖孔坍塌機制和相關的鎖孔熔化狀態轉變。a 在不同的激光掃描速度下，在（I）準穩定、（II）過渡和（III）不穩定的鎖孔狀態下，鎖孔形態從寬和淺到窄和深的變化。b 前鎖孔壁 （FKW） 角作為歸一化焓積的函數，用于 9 個具有四種不同材料的數據集。c 在 （II） 過渡狀態下用裸鋁板進行激光熔化的射線照片，顯示后鎖孔壁 （RKW） 坍塌以及相關插圖 d。e 在 （III） 不穩定狀態下用裸鋁板進行激光熔化的射線照片，顯示鑰匙孔底部塌陷以及相關插圖f。t0 是 RKW 或底部鎖孔擴展之前捕獲幀的時間。d 和 f 中的紅色、藍色和綠色箭頭分別代表激光束、流體流和蒸氣流。d 和θ 分別代表鎖孔深度和FKW 角。激光功率 500 W，激光光斑尺寸 50 μm。所有比例尺對應于 150 μm。
在這項研究中，將鋁合金 Al7A77 的 LPBF 的原位同步加速器 X 射線成像結果與最近對其他關鍵增材制造合金（例如，Ti-6Al-4V、Inconel 718、SS 304）的研究相結合。我們發現了穩定 （I） 和不穩定 （III） 鎖眼機制之間的過渡機制 （II）。這種過渡狀態 （II） 對于具有大 AED （AED≥ 7 MJ m-2） 的高 PV 組合最為明顯。如圖 1 所示，蒸汽抑制在狀態 （II） 中變得不穩定，隨機塌陷并在后鎖孔壁 （RKW） 的中間產生孔隙，而不是在狀態 （III） 中的鎖孔底部，這是傳統上觀察到的孔隙形成位置。我們還觀察到不同鎖孔狀態下鎖孔波動頻率（徑向和軸向）的顯著趨勢，其中最快的波動發生在過渡狀態（II）中，約為 10 kHz（圖 2）。根據觀察，我們為前鎖孔壁 （FKW） 角開發了一種材料、機器和工藝條件不可知的關系，它折疊為歸一化焓積的單一函數（圖 1b）。由此產生的關系提供了一個無量綱閾值，用于預測不同合金和加工條件（例如激光光斑尺寸、激光功率、激光掃描速度）的三個小孔狀態轉變和小孔孔隙率的開始。
圖2 LPBF 中的鎖孔動力學。a 相對于平均值的鎖孔寬度，激光掃描速度為 1.6 m/s（頂部，藍色）和 0.8 m/s（底部，紅色）。使用標記大小和示例 X 射線照片（1a、b；2a、b）突出顯示檢測到的峰/谷。小孔寬度 b 和深度 c 中連續峰/谷之間的平均周期作為歸一化焓積的函數。虛線是平滑樣條擬合。d 有和沒有粉末的情況下的百分比面積孔隙率。誤差線代表標準偏差。
圖3 LPBF 期間的鎖孔氣泡壽命動態。激光掃描速度 1 m/s 和激光功率 500 W。a 和 b 分別是 Al7A77 粉末和裸鋁板的 X 射線照片。c 和 d 分別顯示了在有（實線）和沒有（虛線）Al7A77 粉末的 LPBF 期間氣泡當量直徑的示例時間演變。氣泡大小誤差計算為 ±2 像素（1.96 μm/像素），相當于分割的不確定性。粉末和裸板情況下的總跟蹤氣泡數分別為 5 和 8（補充圖 9a），使用的標準是識別氣泡的最小幀數為 6。時間 t0 設置為第一次識別氣泡的時刻（注意，在 c 和 d 中，t0 設置為 t0 = 0）。黑色虛線圓圈顯示 c 中的初始氣泡增長。a 和 b 中顯示的感興趣的氣泡分別用綠色和淡紫色標記，對應于 c 中的相同顏色。Vap，蒸氣、Ar 氬、H2 氫。所有比例尺對應于 100 μm。
圖4 鎖孔誘導氣泡動力學的跟蹤和建模。在低 a 和高 b 激光掃描速度下，鑰匙孔和氣泡的彩色地圖跟蹤，分別對應于方案 （III） 和 （II）。將模擬的氣泡尺寸變化與低 c 和高 d 激光掃描速度下的原位 X 射線測量值進行比較。氣泡尺寸誤差計算為 ±2 像素（1.96 μm/像素），相當于分割不確定性。注意，氣泡在后期分裂成兩個小氣泡，其中等效直徑是根據（c）中它們的總面積估算的。X 射線成像的時間分辨率（20 μs）不足以捕捉到氣泡生長的整個過程，因此我們無法獲得足夠的數據并充分驗證氣泡生長模型。e 氣泡遷移距離與其初始形成位置的比較。氣泡遷移距離誤差是基于在有限的相機曝光時間（2.5 μs）期間以瞬時速度（0-5 m/s）的氣泡運動計算的。低激光掃描速度 0.8 m/s，高掃描速度 1.2 m/s，激光功率 500 W。時間 0 設置為第一次出現氣泡時。
此外，本文闡明了鎖孔的形成過程，包括熔池中汽泡的壽命動力學，其特點是三個階段（圖 3）：（1）快速壓力驅動生長，（2）金屬收縮蒸氣冷凝，因氫擴散而減慢，以及 （3） 與凝固微觀結構（例如，蜂窩狀枝晶）的相互作用并被前進的凝固前沿捕獲。此外，我們提出了氣泡生長和收縮的模型（圖 4），包括壓力驅動生長、蒸汽冷凝和氫擴散的物理特性。發現該模型與實驗數據一致，支持我們的假設：（i）階段（1）早期中的爆炸性氣泡增長主要是壓力驅動的過程，其中氣泡體積膨脹接近~t3；（ii）氫擴散足夠高以穩定階段（2）中冷凝后期的氣泡尺寸。
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