清華大學《Science》論文：金屬3D打印致命氣孔產(chǎn)生原因找到了！

來源：清華新聞網(wǎng)

2020年11月27日，清華大學機械工程系助理教授趙滄與卡內基梅隆大學和弗吉尼亞大學的學者合作發(fā)布了關于金屬激光3D打印的最新成果。該項研究起于宏觀工藝，立于微觀細節(jié)。宏觀層面上，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩(wěn)有關；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔、并被凝固前端捕捉。

關于匙孔氣泡區(qū)邊界和氣泡缺陷起源的藝術插圖。左側，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡區(qū)邊界清晰而平滑。右側，在該邊界附近，匙孔根部的臨界失穩(wěn)釋放出聲波（沖擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔。當氣泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插圖設計者：清華大學馮葉；版權所有者：清華大學趙滄）

激光粉末床熔融成形是金屬3D打印中廣泛使用的一門技術。在一個典型的成形過程中，基于一個離散化的三維數(shù)字模型，高功率激光快速掃過一層金屬粉末顆粒（厚度為幾十到一百微米），有選擇性地將粉末顆粒熔化和融合。因此，該技術在復雜幾何結構零部件的直接制造方面具有無與倫比的優(yōu)勢。但是，氣泡總是如影如隨，損害零部件的抗腐蝕、抗疲勞性能，因此，往往在尖端應用領域（如航空發(fā)動機渦輪葉片）成為阿喀琉斯之踵。一般認為，在激光粉末床熔融成形中，激光加熱處于傳導模式，而匙孔的廣泛存在性直到2019年初才被揭示。這意味著，匙孔作為氣泡缺陷的一種可能來源，不可被忽視。

該研究圍繞匙孔氣泡缺陷展開，主要回答了三個問題。其一，匙孔氣泡區(qū)的邊界是否可以被清晰定義并且具有重復性？在激光粉末床熔融成形中，“激光功率-掃描速率”工藝圖譜將產(chǎn)品質量（如相對密度）與工藝參數(shù)（亦包括掃描間距）直接聯(lián)系起來，便于3D打印機的用戶查詢和參考。然而，在該圖譜中，幾個關鍵部分仍然缺失，以至于無法準確確定打印工藝的優(yōu)化窗口，其中一個就是匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界。該邊界將劃分出穩(wěn)定熔化區(qū)和匙孔氣泡區(qū)，而全致密成形僅存在于前者。其二，金屬粉末顆粒的作用？一般認為，粉末顆粒的存在會產(chǎn)生更大的匙孔漲落和更多的氣泡。但是，該認識一直停留在定性的描述上，粉末顆粒的作用缺乏定量化的評價和分析。其三，匙孔氣泡缺陷的起源？目前的知識邊界：匙孔氣泡的產(chǎn)生與匙孔的孔壁失穩(wěn)有關；匙孔的根部在多種力（比如馬蘭戈尼對流、反沖壓力等）的綜合作用下被掐掉，如果被凝固前端釘扎，便成了一種微觀缺陷。該理解相對寬泛而缺乏細節(jié)，有必要深究，特別需要關注匙孔氣泡區(qū)邊界附近氣泡的形成和最初的運動。

關于匙孔氣泡缺陷的起源，該研究結果揭示了兩種機理。第一種與聲波（沖擊波）有關，廣泛存在于整個匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界附近。如圖1所示，匙孔根部的臨界失穩(wěn)釋放出聲波（沖擊波），驅動氣泡快速遠離匙孔。此外，在匙孔氣泡區(qū)邊界的低端共存著第二種機理。匙孔劇烈漲落（特別是回縮，在粉末顆粒存在的情況下尤甚），為氣泡創(chuàng)造出足夠的時間以等待凝固前端的捕捉。在等待的過程中，氣泡可能被局域的熔體流動產(chǎn)生的拖拽力加速并遠離匙孔。這項工作為未來無氣泡全致密金屬激光3D打印提供了理論支撐和技術支持。

圖1 匙孔孔隙邊界及粉末在激光熔化中的作用。（A）P-V空間，淺綠色陰影區(qū)域代表穩(wěn)定的熔化系統(tǒng)（由穩(wěn)定的匙孔、過渡和傳導系統(tǒng)組成）和淺黃色區(qū)域代表匙孔孔隙化系統(tǒng)。淡紫色陰影區(qū)域和藍色箭頭表明了添加粉末增加不穩(wěn)定性和擴大孔隙率的程度。（B）在恒定的P=382 W，不同掃描速度下的X射線圖像。上面為粉床樣品。下面為光板樣品。

功率—速度（P-V）空間圖可將產(chǎn)品質量（密度或孔隙度）與工藝參數(shù)（剖面線間距）關聯(lián)起來，是LPBF用戶有效的工具。但P-V空間的物理基礎中存在缺陷，即利用“匙孔孔隙邊界”將生產(chǎn)致密制件的加工條件與有孔隙制件的加工條件分開是否是準確的且可重復的。匙孔形成的空間尺度是亞納秒時間分辨率、微米空間分辨率和兆赫幀率，與高速X射線成像的尺度范圍高度吻合，該團隊通過高速X射線成像定量勾勒出匙孔孔隙邊界、闡明粉末效應、揭示了LPBF過程中匙孔的基本來源及其初始運動，補充了 P -V空間中缺陷的部分。

圖2 孔隙邊界上匙孔的縮放和波動。（A）和（B）匙孔深度（C）P - V 空間中的匙孔深度（D）掃描速度和（E）激光功率與匙孔深度的相對波動的函數(shù)關系（F）P- V空間中匙孔深度的相對波動（G）匙孔深度與能量密度E的函數(shù)關系（H）前匙孔壁長度（I）匙孔深度與tanθ的函數(shù)

圖3 匙孔不穩(wěn)定引起的聲波驅動下的匙孔的形成和運動。（A）匙孔形成過程的X射線圖像（B）孔隙在微射流作用下不均勻破裂的X射線圖像（C、D）孔隙的輪廓和微射流示意圖（E）隨時間變化的匙孔深度（F）由C圖估算的等效孔徑（G）孔隙距離（H）NKB的形成（I）NKB產(chǎn)生的聲波引起的孔隙初始運動（J）和（K）匙孔塌陷、復原和運動的X射線圖像

該研究工作以“激光加熱中匙孔根部的臨界失穩(wěn)產(chǎn)生氣泡缺陷”（Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting）為題發(fā)表在《科學》（Science）。論文獨立第一作者為清華大學機械工程系和先進成形制造教育部重點實驗室的趙滄。論文共同通訊作者為清華大學的趙滄、卡內基梅隆大學的Anthony Rollett和弗吉尼亞大學的Tao Sun。論文合作者還包括阿貢國家實驗室和猶他大學的研究人員。該項工作得到了機械工程系都東教授團隊的支持和清華大學人才引進經(jīng)費的資助。

趙滄，清華大學助理教授、博士生導師，機械工程系都東教授團隊成員。主要研究方向為金屬增材制造關鍵機理的探索，完成了美國先進光子源金屬增材制造同步輻射在線監(jiān)測平臺的設計和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飛濺、匙孔氣泡等基礎問題。此前，嚴格定義了激光加熱的三種模式，指出了增材制造中匙孔的廣泛存在性，并且發(fā)現(xiàn)了一種新的快速飛濺機理。在本項研究中，又確立了匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界，發(fā)現(xiàn)了一種新的氣泡缺陷起源機理，代表性論文發(fā)表在《科學》（Science）和《物理評論X》（Physical Review X）上。

此研究不僅為預測工藝窗口提供了更嚴謹?shù)幕�礎，而且解釋了一些研究LPBF的文獻中關于孔隙形成機制的模糊的問題，對避免高孔隙率從而構建高質量金屬制件具有重要意義。

論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abd1587