美国两校联合顶刊丨激光粉末床熔融增材制造中缩孔的形成机理
摘要
本文研究了激光粉末床熔融增材制造中缩孔的形成机理。研究发现，缩孔主要由凝固过程中次级枝晶臂的生长驱动，且高冷却速率下向细胞生长的转变可减少孔隙。传统Niyama准则不适用于预测缩孔，而基于凝固冷却速率的方法可作为可靠预测工具。研究提出缩孔率工艺图以指导工艺设计，降低缩孔风险。此外，更高的沉积温度和沉积率可能加剧缩孔形成，强调了采用研究策略的重要性。这些发现为优化增材制造工艺、提高产品质量提供了重要指导。
正文
激光粉末床熔融是一种基于铺粉的先进的增材制造技术，它可以制造出形状复杂的近净型金属零件。然而，尽管采用了优化的工艺参数，研究人员仍然观察到了成型过程中产生的随机缺陷，这种缺陷被认为是“行为失常的”。
缩孔是在金属铸造过程中普遍存在的问题，这主要是由金属在凝固过程的最后阶段发生体积收缩引起的。特别是，当金属冷却从液相线温度到固相线温度的过程中，就可能形成这种缺陷。高速冷却会导致枝晶生长过渡到晶胞生长，这一过程中，金属体积的收缩会导致枝晶或晶胞间液体压力的降低，进而促进空隙的形成。为了防止空隙形成，需要在凝固枝晶间压力降低时提供稳定的液态金属来补偿体积收缩。此外，如果液态金属的流动通道被固化材料堵塞，就会因为液态金属供应不足而形成缩孔。
Graphical abstract
图1. 金属凝固过程中缩孔的形成示意图。(a)具有适当的热梯度和冷却速率的枝晶凝固。(b)在过低的热梯度和/或过高的冷却速率下，枝晶之间的流动通道被次级枝晶阻塞。(c-d)背散射电子显微图显示IN718合金PBF-LB样品的收缩孔网络。
图2. PBF-LB熔池图，显示固液温度与液相温度之间凝固前沿厚度d变化引起的热梯度G变化。TEvaluation是计算热梯度和冷却速率的温度。
图3. 收缩孔隙率随工艺参数的变化规律。(a)背散射电子显微图显示，285W、1000 mm/s样品的孔隙率随着沉积温度的升高而恶化。箭头指向显微照片中发现的收缩孔。面积分数表示显微照片中含有收缩孔的百分比。(b)顶层重熔深度以下的缩孔在成品件中成为永久性的缩孔。(c) 393 K(左)和703 K(右)沉积温度下的激光功率和扫描速度与孔隙率的关系图。熔池深度表明了在沉积温度从393K（左）升至703K（右）时，为保持恒定的几何形状所需的参数变化。
图4. 凝固过程中不同的冷却速率(Ṫ)、热梯度(G)和Niyama标准( Ny )下对高于固相线温度的熔池尾部的最大收缩孔深度的影响图。
图5. 传导模式和匙孔模式下熔池横截面图。t0，t1，t2，t3表示凝固过程中凝固界面在不同时间步长的位置。在钥匙孔模式熔池的示例显微照片中，凝固生长方向发生了变化，相应的收缩孔的取向也发生了变化。
