激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion）能夠精確高效地制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是一種重要的金屬3D打印技術(shù)。然而，由此產(chǎn)生的孔隙缺陷一直都阻礙著這項(xiàng)技術(shù)在疲勞敏感型應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。其中，在高功率、低掃描速度激光熔融條件下產(chǎn)生的鎖孔（keyhole, vapor depressions）現(xiàn)象就與孔隙的產(chǎn)生緊密相連。

來(lái)自美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用超高速同步X射線影像來(lái)定量研究在粉末床增材制造金屬的過(guò)程中激光熔化金屬時(shí)氣體壓差（又叫匙孔效應(yīng)或小孔效應(yīng)）．盡管從焊接和熔化的橫截面的事后檢查中可以對(duì)匙孔效應(yīng)進(jìn)行觀察分析，但直接使用高能X射線影像技術(shù)對(duì)匙孔效應(yīng)的形貌和動(dòng)力學(xué)觀察,卻可以窺見(jiàn)不一樣的世界:1,匙孔存在于粉末床3D打印時(shí)激光功率和掃描速度所組合的區(qū)間內(nèi);2激光功率密度變化時(shí)存在一個(gè)從熱傳導(dǎo)到匙孔效應(yīng)焊接時(shí)嚴(yán)格定義的門(mén)檻值;3這一過(guò)渡允許蒸發(fā),液相表面的壓差,不穩(wěn)定和深的匙孔效應(yīng)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(shí).

圖1 在靜止激光照射時(shí)熔池和蒸汽壓差的演化過(guò)程圖

圖解:(A) 熔池開(kāi)始形成 . (B) 小且穩(wěn)定的蒸汽壓差開(kāi)始形成 . (C) 蒸汽壓差的穩(wěn)定生長(zhǎng) . (D) 蒸汽壓差的不穩(wěn)定性開(kāi)始形成 . (E和 F)蒸汽壓差的形狀開(kāi)始快速的變化 . (G和H)蒸汽壓差開(kāi)始周期性的波動(dòng) . (I 和 J) 熔池形狀開(kāi)始自準(zhǔn)半圓形到雙峰形(碗口朝上,矛頭在底部的中間)的變化,此時(shí)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(lái)顯示.

金屬3D打印是一類(lèi)可以自CAD數(shù)字模型直接制造出復(fù)雜的３D形狀的先進(jìn)制造技術(shù).其中粉末床3D打印技術(shù)是一種常見(jiàn)的３D打印技術(shù)，使用高能激光掃描來(lái)選擇性的熔化預(yù)鋪設(shè)的粉末形成CAD預(yù)設(shè)的三維實(shí)體．高的能量密度和低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致形成的熔池形狀為窄且呈半圓形的形狀（稱(chēng)之為熱傳導(dǎo)模式）向深且窄的形狀（匙孔效應(yīng)）過(guò)渡．３D打印中的匙孔效應(yīng)，眾所周知，同氣孔的形成密切相關(guān)．形成的大的氣孔后由于氣孔會(huì)成為裂紋的萌生源而影響到材料的疲勞壽命．匙孔效應(yīng)是一種氣體填充的壓差，在焊接中可謂眾所周知，同時(shí)匙孔效應(yīng)還同液相金屬中的氣化密切相關(guān)．我們當(dāng)前對(duì)匙孔效應(yīng)的形成是基于非直接的對(duì)熔池在凝固后進(jìn)行橫截面的觀察來(lái)實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)候還結(jié)合對(duì)熔池表面和氣體孔洞進(jìn)行視頻影像的觀察．激光照射時(shí)功率密度的重要性已經(jīng)被理解，但文獻(xiàn)中主要集中在同穿透深度的相關(guān)規(guī)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(shí)得到的匙孔效應(yīng) 打孔時(shí)的結(jié)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(shí)候的穿透情況,其過(guò)渡發(fā)生在幾乎是同一蒸汽壓在給定光斑尺寸時(shí)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(guò)渡后功率密度的變化圖 . 黑色的點(diǎn)劃線是預(yù)波動(dòng)打孔時(shí)的線性擬合

來(lái)自美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用超高速同步X射線影像技術(shù)來(lái)對(duì)采用靜止激光照射和移動(dòng)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(yīng))的發(fā)展演化情況進(jìn)行了觀察分析.這一團(tuán)隊(duì)及其其他研究者在早先的報(bào)道中公開(kāi)過(guò)基于AM的同步Ｘ射線實(shí)驗(yàn)結(jié)果．如硬X射線具有高度的空間分辨率（２微米）和時(shí)間分辨率（５０到４００ＫＨｚ），這是美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)聲子中心（ＡＰＳ）在目前的先進(jìn)水平．借助此裝置，研究人員觀察到了蒸汽壓差（匙孔效應(yīng)）存在于幾乎所有的同LPBF相關(guān)的工藝狀態(tài)下，當(dāng)蒸汽壓差的形狀和尺寸變化較大時(shí)．這一結(jié)果同我們通常所認(rèn)為的熱傳導(dǎo)到匙孔效應(yīng)的過(guò)渡同孔隙率和熔池的高寬高比的結(jié)果是一致的.而且,激光打孔時(shí)和移動(dòng)激光束時(shí)匙孔效應(yīng)的相似性是顯而易見(jiàn)的.總而言之,我們的高分辨率的數(shù)據(jù)可視化的揭示了從熱傳導(dǎo)效應(yīng)到匙孔效應(yīng)的關(guān)于打孔,匙孔效應(yīng)的深度,匙孔效應(yīng)的入射角和額外的功率密度之間的關(guān)系.

圖3 在P-V關(guān)系途中的匙孔效應(yīng) 的形貌變化結(jié)果

圖解:(A)對(duì)Ti-6Al-4V 合金板在光斑尺寸為95μm時(shí),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(guò)渡，測(cè)量的是靜止的激光束實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如２A等.采用藍(lán)色和紅色的點(diǎn)劃線分別標(biāo)示出來(lái) . (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(jié)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(lái).

在熔池和蒸汽壓差(匙孔效應(yīng))在靜止的激光照射時(shí)的演化,我們發(fā)現(xiàn)了五個(gè)顯著不同的行為區(qū)域:1熔化,2蒸汽壓差(匙孔效應(yīng))的形成和發(fā)展,3蒸汽壓差的不穩(wěn)定性,4 匙孔效應(yīng)的形成和發(fā)展,5熔池形狀的變化(圖1).當(dāng)我們打開(kāi)激光后,金屬開(kāi)始熔化,固體-液體界面由于X 射線吸收的對(duì)比度而清晰可見(jiàn)(圖1A).當(dāng)表面溫度接近沸點(diǎn)的時(shí)候,局部的蒸汽壓形成蒸汽壓差(見(jiàn)圖1B).這一壓力驅(qū)動(dòng)液相的升起和離開(kāi)塌陷區(qū),此時(shí)在一個(gè)相對(duì)固定的速率條件下生長(zhǎng),直到它開(kāi)始波動(dòng)(見(jiàn)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(qū)過(guò)渡(見(jiàn)圖1D),在這一過(guò)渡之后,蒸汽壓差快速的穿過(guò)熔池,表明液相的物質(zhì)位移從激光光斑中心開(kāi)始.當(dāng)蒸汽壓差在材料中以非常快的速度穿過(guò)材料中時(shí),液相-氣相界面劇烈的波動(dòng)(見(jiàn)圖1E到H).在蒸汽壓差波動(dòng)后,熔池迅速的從準(zhǔn)靜態(tài)的半圓形向雙峰的形態(tài)發(fā)展(碗口朝上,矛頭在底部的中間,見(jiàn)圖1 Ｅ到Ｊ);這解決了早期從熱傳導(dǎo)到匙孔效應(yīng)的不穩(wěn)定性問(wèn)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(guān)系

圖解:(A) Ti-6Al-4V 合金板的蒸汽壓差的Ｘ射線影像結(jié)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(jì)算值（點(diǎn)劃線）和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較，實(shí)驗(yàn)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(jié)果，此時(shí)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(lái)測(cè)量了每幅圖中蒸汽壓差的最大深度.我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常清晰的過(guò)渡,大約在5毫秒的時(shí)間內(nèi),此時(shí)熔池生長(zhǎng)緩慢,從單獨(dú)的熱傳導(dǎo)和快速穿透和匙孔形成中分離出來(lái). 導(dǎo)致這一過(guò)渡區(qū)從給定光斑尺寸的非線性減少.我們同時(shí)觀察了打孔速率在匙孔區(qū)域隨著功率增加的情況.物質(zhì)波動(dòng)的情況隨著匙孔的形成的發(fā)生,意味著測(cè)量一個(gè)精確的打孔速率所經(jīng)受的誤差取決于測(cè)量的持續(xù)時(shí)間.

理解金屬打印的工藝窗口的邊界條件對(duì)重復(fù)制造無(wú)缺陷的部件是至關(guān)重要的.我們直接觀察了和識(shí)別了在采用靜止激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的狀況以及蒸汽壓差隨工藝參數(shù)變化時(shí)熔池形貌的變化.激光增材制造時(shí)和激光焊接時(shí)兩個(gè)主要的參數(shù)為激光功率和及該動(dòng)態(tài)激光掃描速度,即P-V空間關(guān)系圖.同靜止激光實(shí)驗(yàn)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(tǒng)的激光實(shí)驗(yàn)時(shí),在不同的激光功率時(shí)幾乎呈現(xiàn)出相似的行為(見(jiàn)圖3A以及動(dòng)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(tǒng)的匙孔區(qū)域顯示出深且窄的蒸汽壓差,此時(shí)才定義為匙孔和此時(shí)在較粗糙的尺度下呈現(xiàn)出深的穿透焊接深度.結(jié)合靜止和動(dòng)態(tài)移動(dòng)掃描,如圖3A所示，僅在藍(lán)色點(diǎn)線區(qū)域下方屬于熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)的區(qū)域．較高的功率和較低的掃描速度條件下的Ｐ－Ｖ區(qū)一般為不穩(wěn)定的匙孔區(qū)，此時(shí)易于形成圓形氣孔，也許同匙孔具有較大的縱橫比相關(guān).此時(shí),入射角大約在匙孔的底部開(kāi)始穩(wěn)定.如圖3為測(cè)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(shí)的變化的情況,見(jiàn)圖3B和c.

文章來(lái)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