導(dǎo)讀：激光粉末床熔合是一種占主導(dǎo)地位的金屬3D打印技術(shù)。然而，孔隙缺陷是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。有些孔隙與被稱為鑰匙孔的深而窄的蒸汽凹陷有關(guān)，這發(fā)生在高功率、低掃描速度的激光熔化條件下。研究發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V小孔是由小孔尖端的嚴(yán)重不穩(wěn)定性引起的，小孔孔隙率在功率-速度圖的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。鑰匙孔不穩(wěn)定性在熔池中產(chǎn)生聲波，為鑰匙孔尖端附近的氣孔提供額外而重要的驅(qū)動(dòng)力，使其遠(yuǎn)離鑰匙孔并成為缺陷。
激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬添加劑制造工藝，正在徹底改變制造業(yè)。在典型的LPBF工藝中，在數(shù)字計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制圖(CADD)模型的指導(dǎo)下，用高功率密度的激光掃描薄薄的粉末層，對(duì)金屬粉末進(jìn)行局部熔化，并將其熔合到前一層。盡管LPBF具有無(wú)與倫比的直接制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件的能力，但相關(guān)的孔隙率仍然是其致命弱點(diǎn)，因?yàn)檫@會(huì)損害產(chǎn)品的性能（例如，耐腐蝕性和疲勞壽命）。深入的研究工作促進(jìn)了對(duì)孔隙度的理解和控制。高速同步x射線成像顯示，在導(dǎo)致氣孔的各種機(jī)制中，熔化的“鑰匙孔”模式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要性，近年來(lái)引起了廣泛的關(guān)注金屬快速蒸發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)大反沖壓力將周圍的熔體液體向下推，形成一個(gè)又深又窄的洞，稱為“鑰匙孔”。在鑰匙孔內(nèi)，激光束經(jīng)過(guò)多次反射，大大提高了激光的吸收，提高了能量效率。但是，在某些激光條件下，鑰匙孔壁會(huì)不斷波動(dòng)并坍塌。該過(guò)程通常歸因于熱毛細(xì)力、馬朗戈尼對(duì)流、反沖壓力和氣體等離子體的出現(xiàn)。這種鑰匙孔的不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生孔，如果孔被凝固前沿捕獲，則孔會(huì)成為構(gòu)件中有害的結(jié)構(gòu)缺陷。功率-速度（P - V）圖直接涉及產(chǎn)品的質(zhì)量（密度或孔隙率）工藝參數(shù)。在P-V圖的物理基礎(chǔ)中，一個(gè)缺失的部分是所謂的“鑰匙孔孔隙邊界”，它將生產(chǎn)出名義上完全致密的零件的加工條件與那些有氣孔的零件分離開(kāi)來(lái)，這個(gè)邊界是否明確并可重復(fù)使用。此外，與激光裸板熔化相比，在LPBF中，粉末的存在與較大的鎖孔波動(dòng)和較大的孔形成有關(guān)。然而，對(duì)邊界和任何由粉末引起的位移缺乏量化。清華大學(xué)機(jī)械工程系趙滄教授，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Anthony D. Rollett和弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun等人使用原位高速在第三代高能X射線成像光源完成這塊丟失的P-V圖。通過(guò)定量描述鎖眼孔隙邊界，闡明粉的效果，揭示鎖眼孔的基本來(lái)源和他們?cè)贚PBF過(guò)程中的初始運(yùn)動(dòng)。觀察到Ti-6Al-4V小孔形成過(guò)程的細(xì)節(jié)，這些小孔是由小孔尖端的嚴(yán)重不穩(wěn)定性引起的。關(guān)鍵的鎖孔不穩(wěn)定性在熔體池中產(chǎn)生聲波，為鎖孔尖端附近的氣孔提供額外而重要的驅(qū)動(dòng)力，使其遠(yuǎn)離鎖孔并成為缺陷。這一發(fā)現(xiàn)為鎖孔形成的原因提供了新的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果以題“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”于北京時(shí)間2020年11月27日在Science上發(fā)表。在有或沒(méi)有粉末存在的情況下，將鑰匙孔孔隙度狀態(tài)與穩(wěn)定熔化狀態(tài)區(qū)分開(kāi)的鎖孔孔隙度邊界出乎意料的平滑和鋒利（圖1A）。越過(guò)邊界朝著更高的能量密度，可識(shí)別的孔從鑰匙孔底部釋放到液體中（圖1B）。在恒定的激光功率下，最大孔徑都隨著掃描速度的降低而上升。少數(shù)情況偏離了這種趨勢(shì)，最可能是由于不同樣品中粉末床厚度的變化以及相對(duì)于孔形成事件而言，X射線成像可用的時(shí)間窗口較短。
圖1 鎖孔孔隙率邊界和粉末在激光熔化中的作用
圖2 孔隙邊界上的鑰匙孔結(jié)垢和波動(dòng)圖3鑰匙孔不穩(wěn)定引起的聲波驅(qū)動(dòng)鑰匙孔形成和運(yùn)動(dòng)綜上所述，作者發(fā)現(xiàn)了一種新的機(jī)制，該機(jī)制揭示形成小且通常為球形的孔的原因：在高度動(dòng)態(tài)的激光-金屬相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的聲波在驅(qū)動(dòng)鍵孔尖端附近的孔足夠遠(yuǎn)離它們通過(guò)凝固而被困在鎖孔周圍的大的熱梯度場(chǎng)。除了這種主要機(jī)制外，在低功率水平時(shí)，次級(jí)機(jī)制還會(huì)導(dǎo)致由于波動(dòng)的鎖孔塌陷和收縮而導(dǎo)致孔捕獲。拖曳力也可能將孔隙拉離縮回的鎖眼。在更廣泛的范圍內(nèi)，定義明確的鎖孔孔隙度邊界的存在不僅為預(yù)測(cè)工藝窗口提供了更安全的基礎(chǔ)，而且對(duì)邊界附近產(chǎn)生小孔隙的新認(rèn)識(shí)。
