清華大學(xué)《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(xué)機(jī)械工程系助理教授趙滄與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)者合作發(fā)布了關(guān)于金屬激光3D打印的最新成果。該項(xiàng)研究起于宏觀工藝，立于微觀細(xì)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(guān)；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔、并被凝固前端捕捉。

關(guān)于匙孔氣泡區(qū)邊界和氣泡缺陷起源的藝術(shù)插圖。左側(cè)，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(cè)，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(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔。當(dāng)氣泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插圖設(shè)計(jì)者：清華大學(xué)馮葉；版權(quán)所有者：清華大學(xué)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(shù)。在一個(gè)典型的成形過程中，基于一個(gè)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(shù)在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片）成為阿喀琉斯之踵。一般認(rèn)為，在激光粉末床熔融成形中，激光加熱處于傳導(dǎo)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(gè)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(fù)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(zhì)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(jī)的用戶查詢和參考。然而，在該圖譜中，幾個(gè)關(guān)鍵部分仍然缺失，以至于無法準(zhǔn)確確定打印工藝的優(yōu)化窗口，其中一個(gè)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(rèn)為，粉末顆粒的存在會(huì)產(chǎn)生更大的匙孔漲落和更多的氣泡。但是，該認(rèn)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(jià)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(guān)；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(xì)節(jié)，有必要深究，特別需要關(guān)注匙孔氣泡區(qū)邊界附近氣泡的形成和最初的運(yùn)動(dòng)。

關(guān)于匙孔氣泡缺陷的起源，該研究結(jié)果揭示了兩種機(jī)理。第一種與聲波（沖擊波）有關(guān)，廣泛存在于整個(gè)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(qū)動(dòng)氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔。此外，在匙孔氣泡區(qū)邊界的低端共存著第二種機(jī)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(shí)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(dòng)產(chǎn)生的拖拽力加速并遠(yuǎn)離匙孔。這項(xiàng)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(shù)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(dǎo)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(lán)色箭頭表明了添加粉末增加不穩(wěn)定性和擴(kuò)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(zhì)量（密度或孔隙度）與工藝參數(shù)（剖面線間距）關(guān)聯(lián)起來，是LPBF用戶有效的工具。但P-V空間的物理基礎(chǔ)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(zhǔn)確的且可重復(fù)的。匙孔形成的空間尺度是亞納秒時(shí)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(tuán)隊(duì)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(yīng)、揭示了LPBF過程中匙孔的基本來源及其初始運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)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(dòng)。（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(dòng)的函數(shù)關(guān)系（F）P- V空間中匙孔深度的相對波動(dòng)（G）匙孔深度與能量密度E的函數(shù)關(guān)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(qū)動(dòng)下的匙孔的形成和運(yùn)動(dòng)。（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(shí)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(yùn)動(dòng)（J）和（K）匙孔塌陷、復(fù)原和運(yùn)動(dòng)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(xué)》（Science）。論文獨(dú)立第一作者為清華大學(xué)機(jī)械工程系和先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的趙滄。論文共同通訊作者為清華大學(xué)的趙滄、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Anthony Rollett和弗吉尼亞大學(xué)的Tao Sun。論文合作者還包括阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和猶他大學(xué)的研究人員。該項(xiàng)工作得到了機(jī)械工程系都東教授團(tuán)隊(duì)的支持和清華大學(xué)人才引進(jìn)經(jīng)費(fèi)的資助。

趙滄，清華大學(xué)助理教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械工程系都東教授團(tuán)隊(duì)成員。主要研究方向?yàn)榻饘僭霾闹圃礻P(guān)鍵機(jī)理的探索，完成了美國先進(jìn)光子源金屬增材制造同步輻射在線監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飛濺、匙孔氣泡等基礎(chǔ)問題。此前，嚴(yán)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(jī)理。在本項(xiàng)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(jī)理，代表性論文發(fā)表在《科學(xué)》（Science）和《物理評論X》（Physical Review X）上。

此研究不僅為預(yù)測工藝窗口提供了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕�礎(chǔ)，而且解釋了一些研究LPBF的文獻(xiàn)中關(guān)于孔隙形成機(jī)制的模糊的問題，對避免高孔隙率從而構(gòu)建高質(zhì)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