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清华大学Science：认识一下这个孔 科学材料站
2020-11-28
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导读：3D打印是近些年刚发展起来的新兴技术，在各个领域都有广泛的应用。激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最广泛的


3D打印是近些年刚发展起来的新兴技术，在各个领域都有广泛的应用。激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最广泛的金属添加剂制造工艺，正在彻底改变制造业。在典型的LPBF工艺中，在数字计算机辅助设计与制图(CADD)模型的指导下，用高功率密度的激光扫描薄的粉末层，对金属粉末进行局部熔化，并将其熔合到前一层上。尽管LPBF具有处理复杂几何图形无与伦比的能力，但产品上的孔隙仍是其致命弱点,因为它会损害性能时例如,耐腐蚀和疲劳寿命。不断的研究努力提高了对孔隙度的认识和控制。不同的机制,导致孔隙度，高速同步x射线成像显示，在导致气孔的各种机制中，熔化的小孔模式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要性，近年来引起了广泛的关注。
在匙孔式熔炼中，金属快速蒸发产生的强大反冲压力将周围的熔体液体向下推，形成一个又深又窄的洞，称为匙孔。在钥匙孔内，激光束经过多次反射，大大提高了激光的吸收，提高了能量效率。而在某些激光条件下，钥匙孔壁不断波动和倒塌。这一过程通常归因于热毛细力、马朗戈尼对流、反冲压力和气体等离子体的出现之间的复杂相互作用。这样的锁孔不稳定会产生孔洞，如果被凝固前沿困住，孔洞就会成为有害的结构缺陷。
功率速度(P-V)映射，直接决定产品质量(密度或孔隙率)与工艺参数，是一个有效的但启发式的工具。在P-V图的物理基础中，一个缺失的部分是所谓的“钥匙孔孔隙边界”，它将生产出名义上完全致密的零件的加工条件与那些有气孔的零件分离开来。
清华大学清华大学机械工程系赵沧，卡内基梅隆大学Anthony D. Rollett和弗吉尼亚大学Tao Sun等人在Science上发表文章Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting。作者使用原位高速在第三代高能X射线成像光源完成这块丢失的P-V图。通过定量描述锁眼孔隙边界，阐明粉的效果，揭示锁眼孔的基本来源和他们在LPBF过程中的初始运动。作者在高速X射线成像下，观察到Ti-6Al-4V小孔形成过程的细节，这些小孔是由小孔尖端的严重不稳定性引起的。实验结果表明，小孔孔隙率在功率-速度空间的边界是尖锐而光滑的，在光板和粉床之间变化不大。关键的锁孔不稳定性在熔体池中产生声波，为锁孔尖端附近的气孔提供额外而重要的驱动力，使其远离锁孔并成为缺陷。
这一发现为锁孔形成的原因提供了新的认识。
图文详情

图1. 激光熔炼中的小孔气孔边界及粉末的作用

图2. 孔隙边界上的钥匙孔缩放和波动

图3. 钥匙孔不稳定引起的声波驱动下的钥匙孔的形成和运动
链接：
Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting. Science 370 (6520), 1080-1086.
https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1080

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