伦敦大学学院丨激光粉末床熔合增材过程锁孔波动和气孔的形成机制
前言
激光粉末床融合(LPBF)增材制造正得到工业界和学术界广泛探索以用于金属零件的生产。在LPBF期间，中等功率（~100–1000W）但高度聚焦（光斑尺寸~20–100μm）的激光以高速（~0.05–4m s-1）选择性地扫描连续的细金属粉末层，熔化和烧结粉末以构建完全致密的零件。LPBF的典型加工-结构-性能联系是：陡峭的热梯度和高冷却速率（~104-106 K s-1）有利于沿构建方向定向的细柱状晶粒；生产出的LPBF零件，典型地表现出强度增加、延展性降低以及微观结构和机械性能各向异性增加。
LPBF期间的激光能量密度足以蒸发金属，产生反冲压力，将熔融金属推离激光-物质相互作用区。随着激光能量密度的增加，反冲压力大到足以打开一个深的、高纵横比的蒸汽凹陷，称为锁孔。这种效应通常用于激光焊接以实现薄而深的接头。LPBF 通常以锁孔模式熔化以确保连续层之间的完全融合。此外，由于激光束沿锁孔的多次反射，激光吸收率在锁孔熔化中显着增加，从而为通过LPBF制造高反射材料（例如反射率约为91%的铝基复合材料）打开了大门，同时实现了更经济的用于LPBF的激光热源（例如二极管激光器），而不会牺牲打印效率。然而，锁孔会受到由能量和压力平衡控制的轴向波动和径向扰动，从而导致锁孔不稳定以及在某些情况下坍塌造成重大风险。小孔塌陷通常会导致熔池中形成气泡，气泡可能会被凝固前沿截留而形成孔隙。留在最终零件中的小孔可能充当应力集中源、裂纹萌生和扩展的位置，使其可能对疲劳寿命和其他最终部件的机械性能有害。
论文正文
锁孔坍塌机制和相关的状态转变
研究人员采用X射线成像用于探测LPBF期间的锁孔塌陷行为和锁孔孔隙形成机制。系统地描述了大范围区域能量密度条件激光作用下，在锁孔熔化状态过程中，锁孔形状和气泡发展的变化，如图1。可以看到，锁孔的形态从宽和浅变为窄和深。气泡首先在后锁孔壁（RKW）处形成，然后一旦锁孔变深变窄，则在锁孔底部占优势。
图1 LPBF中的小孔崩塌机制及相关的小孔熔化区转变
图2a显示了不同小孔熔化状态下小孔宽度的规律波动（过渡II，蓝色；不稳定III，红色）。为了进一步量化这些波动，计算了平均峰峰值周期，发现锁孔深度和宽度波动的相应频率范围从~2.5到~10kHz。此外，还发现不同锁孔状态下锁孔宽度（图2b）和深度（图2c）波动的显着趋势：从I开始，锁孔宽度波动的频率首先增加，在II中达到峰值，然后在III中略有下降。小孔深度波动的类似模式如图2c所示，其频率从I到II增加，然后在III中保持高位。
图2 LPBF 过程的锁孔动力学
