曼彻斯特大学丨原位X射线成像揭示激光增材过程缺陷形成机理和熔池动力学
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前言
激光增材制造(LAM)，包括激光粉末床融合(LPBF)和直接能量沉积(DED)，将金属、陶瓷或其他粉末融合在一起，逐层构建复杂的3D形状。LAM已经引起了学术界和工业界的极大兴趣。LAM在关键安全工程结构（如涡轮叶片、生物医学和储能设备）生产中的应用受到许多技术挑战的阻碍，包括尺寸精度差和缺乏融合、残留孔隙和飞溅等缺陷。这些缺陷会导致LAM组件在使用期间的机械性能（从屈服应力到疲劳性能）变差。为了减少LAM中缺陷的形成，需要更好地了解LAM过程中的激光与物质相互作用和粉末固结机制。
在LAM过程中，激光与物质的相互作用描述了激光束与粉末颗粒、熔池、金属蒸气等的接触过程。粉末固结涉及通过激光熔化将粉末颗粒融合成固体。目前，由于在非常短的时间尺度（10-6-10-3s）内发生的复杂熔池行为，这些过程背后的潜在机制尚不清楚。LAM过程中的实时过程监控装置已经部分揭示了许多关键现象，包括粉末床表面的飞溅和线固结。这些原位观测在开发LAM计算机模拟方面发挥着至关重要的作用。然而，尚未观察到熔池内的流体动力学行为（如熔道形成过程），限制了对LAM的理解和过程模拟工具的开发。
https://doi.org/10.1038/s41467-018-03734-7
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论文正文
2.1 LAM过程中单层熔体轨迹的演变
研究人员捕获了LAM过程单层熔体轨迹（MT1）的演变（见图1）。图1中因瓦合金的粉末、熔池和熔体轨迹之间的对比衬度与它们相对于X射线路径长度的有效密度相关。物体的有效密度越高，X射线衰减就越高，并且它在X射线照片中显得越暗。Invar 36粉末呈浅灰色，而熔池和熔道呈深灰色，因为它们的有效密度几乎是粉末的两倍，因此会衰减更多的X射线。图1a 显示了LAM开始、中期和末期熔道形态的变化。在时间t = 0时，激光束（P = 209 W和v = 13 mm s−1）启动。它从右到左扫描整个粉末床并将粉末颗粒整合到熔池中（t = 2.8 ms），随后演变成向粉末床底部延伸的熔体轨迹（t = 338 ms）。随着熔道冷却，它向上弯曲，随后在熔道的最后凝固区域形成孔隙（t = 400 ms）。四个红色虚线框及其放大视图突出显示了LAM期间粉末固结（图1b-d）、飞溅物（图1e）和孔隙度（图1f）的演变。
图1. 在P = 209 W、v = 13 mm s−1和LED = 16.1 J mm−1下，Invar 36单层熔体轨迹(MT1)的LAM过程中获得的时间序列射线照片
在恒定P下，随着v增加，熔化轨迹的形态经历两次转变：首先从连续的半圆柱轨迹到两个或更多不连续的半圆柱轨迹，其次从不连续的半圆柱轨迹到一系列断开的金属珠的圆柱形轨道。
图3. LAM制造Invar36合金时获得的不同时间时的图像
图4. LAM制造两道时获得的飞溅和气孔 增加v会降低传输到粉末颗粒的激光能量，从而降低熔池尺寸及其峰值温度。当熔池温度降低时，其表面张力增加，阻碍了润湿过程和领先的熔珠聚结进入主熔道，最终形成不连续的轨道。在进一步增加v时（即将LED减小到 < 4 J mm-1），激光束移动的速度快于熔池的生长速度，因此液态金属立即卷曲成球体以最小化其表面能。金属珠的球化会重复自身，直到激光束关闭，导致成球。对于悬垂条件，成球主要是由于高表面张力导致形成断开的金属珠粒，这与在固体基材上的LAM过程中由Plateau-Rayleigh不稳定性引起的球化现象相反。
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总结
本文采用原位同步辐射X射线影像技术研究了激光增材制造LAM过程中的缺陷形成和熔池动力学机制。揭示并解释了熔道、飞溅以及气孔形成的机制，包括气孔的迁移、溶解、分散和爆裂。本文的研究方法和得到的结果有助于理解增材制造工艺过程和用于其他材料加工工艺技术的研究，如激光焊接和激光熔覆。在这些工艺过程中，气孔和飞溅的形成也是常见的过程。
原文来源：Leung, C.L.A., Marussi, S., Atwood, R.C. et al. In situ X-ray imaging of defect and molten pool dynamics in laser additive manufacturing. Nat Commun 9, 1355 (2018).
来源：增材制造硕博联盟
