清华大学《Science》论文：金属3D打印致命气孔产生原因找到了！
2020年11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧与卡内基梅隆大学和弗吉尼亚大学的学者合作发布了关于金属激光3D打印的最新成果。该项研究起于宏观工艺，立于微观细节。宏观层面上，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受金属粉末加入的影响甚微。在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。
关于匙孔气泡区边界和气泡缺陷起源的艺术插图。左侧，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡区边界清晰而平滑。右侧，在该边界附近，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插图设计者：清华大学冯叶；版权所有者：清华大学赵沧）
激光粉末床熔融成形是金属3D打印中广泛使用的一门技术。在一个典型的成形过程中，基于一个离散化的三维数字模型，高功率激光快速扫过一层金属粉末颗粒（厚度为几十到一百微米），有选择性地将粉末颗粒熔化和融合。因此，该技术在复杂几何结构零部件的直接制造方面具有无与伦比的优势。但是，气泡总是如影如随，损害零部件的抗腐蚀、抗疲劳性能，因此，往往在尖端应用领域（如航空发动机涡轮叶片）成为阿喀琉斯之踵。一般认为，在激光粉末床熔融成形中，激光加热处于传导模式，而匙孔的广泛存在性直到2019年初才被揭示。这意味着，匙孔作为气泡缺陷的一种可能来源，不可被忽视。
该研究围绕匙孔气泡缺陷展开，主要回答了三个问题。其一，匙孔气泡区的边界是否可以被清晰定义并且具有重复性？在激光粉末床熔融成形中，“激光功率-扫描速率”工艺图谱将产品质量（如相对密度）与工艺参数（亦包括扫描间距）直接联系起来，便于3D打印机的用户查询和参考。然而，在该图谱中，几个关键部分仍然缺失，以至于无法准确确定打印工艺的优化窗口，其中一个就是匙孔气泡缺陷区域的边界。该边界将划分出稳定熔化区和匙孔气泡区，而全致密成形仅存在于前者。其二，金属粉末颗粒的作用？一般认为，粉末颗粒的存在会产生更大的匙孔涨落和更多的气泡。但是，该认识一直停留在定性的描述上，粉末颗粒的作用缺乏定量化的评价和分析。其三，匙孔气泡缺陷的起源？目前的知识边界：匙孔气泡的产生与匙孔的孔壁失稳有关；匙孔的根部在多种力（比如马兰戈尼对流、反冲压力等）的综合作用下被掐掉，如果被凝固前端钉扎，便成了一种微观缺陷。该理解相对宽泛而缺乏细节，有必要深究，特别需要关注匙孔气泡区边界附近气泡的形成和最初的运动。
关于匙孔气泡缺陷的起源，该研究结果揭示了两种机理。第一种与声波（冲击波）有关，广泛存在于整个匙孔气泡缺陷区域的边界附近。如图1所示，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），驱动气泡快速远离匙孔。此外，在匙孔气泡区边界的低端共存着第二种机理。匙孔剧烈涨落（特别是回缩，在粉末颗粒存在的情况下尤甚），为气泡创造出足够的时间以等待凝固前端的捕捉。在等待的过程中，气泡可能被局域的熔体流动产生的拖拽力加速并远离匙孔。这项工作为未来无气泡全致密金属激光3D打印提供了理论支撑和技术支持。
图1 匙孔孔隙边界及粉末在激光熔化中的作用。（A）P-V空间，浅绿色阴影区域代表稳定的熔化系统（由稳定的匙孔、过渡和传导系统组成）和浅黄色区域代表匙孔孔隙化系统。淡紫色阴影区域和蓝色箭头表明了添加粉末增加不稳定性和扩大孔隙率的程度。（B）在恒定的P=382 W，不同扫描速度下的X射线图像。上面为粉床样品。下面为光板样品。
功率—速度（P-V）空间图可将产品质量（密度或孔隙度）与工艺参数（剖面线间距）关联起来，是LPBF用户有效的工具。但P-V空间的物理基础中存在缺陷，即利用“匙孔孔隙边界”将生产致密制件的加工条件与有孔隙制件的加工条件分开是否是准确的且可重复的。匙孔形成的空间尺度是亚纳秒时间分辨率、微米空间分辨率和兆赫帧率，与高速X射线成像的尺度范围高度吻合，该团队通过高速X射线成像定量勾勒出匙孔孔隙边界、阐明粉末效应、揭示了LPBF过程中匙孔的基本来源及其初始运动，补充了 P -V空间中缺陷的部分。
图2 孔隙边界上匙孔的缩放和波动。（A）和（B）匙孔深度（C）P - V 空间中的匙孔深度（D）扫描速度和（E）激光功率与匙孔深度的相对波动的函数关系（F）P- V空间中匙孔深度的相对波动（G）匙孔深度与能量密度E的函数关系（H）前匙孔壁长度（I）匙孔深度与tanθ的函数
图3 匙孔不稳定引起的声波驱动下的匙孔的形成和运动。（A）匙孔形成过程的X射线图像（B）孔隙在微射流作用下不均匀破裂的X射线图像（C、D）孔隙的轮廓和微射流示意图（E）随时间变化的匙孔深度（F）由C图估算的等效孔径（G）孔隙距离（H）NKB的形成（I）NKB产生的声波引起的孔隙初始运动（J）和（K）匙孔塌陷、复原和运动的X射线图像
该研究工作以“激光加热中匙孔根部的临界失稳产生气泡缺陷”（Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting）为题发表在《科学》（Science）。论文独立第一作者为清华大学机械工程系和先进成形制造教育部重点实验室的赵沧。论文共同通讯作者为清华大学的赵沧、卡内基梅隆大学的Anthony Rollett和弗吉尼亚大学的Tao Sun。论文合作者还包括阿贡国家实验室和犹他大学的研究人员。该项工作得到了机械工程系都东教授团队的支持和清华大学人才引进经费的资助。
赵沧，清华大学助理教授、博士生导师，机械工程系都东教授团队成员。主要研究方向为金属增材制造关键机理的探索，完成了美国先进光子源金属增材制造同步辐射在线监测平台的设计和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飞溅、匙孔气泡等基础问题。此前，严格定义了激光加热的三种模式，指出了增材制造中匙孔的广泛存在性，并且发现了一种新的快速飞溅机理。在本项研究中，又确立了匙孔气泡缺陷区域的边界，发现了一种新的气泡缺陷起源机理，代表性论文发表在《科学》（Science）和《物理评论X》（Physical Review X）上。
此研究不仅为预测工艺窗口提供了更严谨的基础，而且解释了一些研究LPBF的文献中关于孔隙形成机制的模糊的问题，对避免高孔隙率从而构建高质量金属制件具有重要意义。
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