新加坡國立大學《Nature》子刊：金屬增材制造中小孔形成機理研究

來源：材料學網

導讀：在金屬增材制造過程中，零件的孔隙率會降低機械性能，甚至阻礙金屬增材制造的進一步應用。特別是目前與鎖孔波動相關的鎖孔的機制尚不完全清楚。為揭示小孔形成的機理，我們采用結合傳熱、液體流動、馬蘭戈尼效應和達西定律的多物理熱流體流動模型來模擬小孔形成過程，并通過原位驗證了結果。模擬結果顯示了由于小孔不穩(wěn)定性和瞬間氣泡釘扎在凝固前沿的運動而導致瞬間氣泡形成。此外，比較不同激光掃描速度下的小孔形成表明，小孔對制造參數很敏感。此外，低環(huán)境壓力下的模擬表明提高鎖孔穩(wěn)定性以減少甚至避免鎖孔形成的可行性。

金屬增材制造 (AM) 以其無需特殊工具就可制造出復雜形狀零件的能力而聞名。而且其能縮短產品開發(fā)周期，并節(jié)省材料成本。但是，金屬增材制造存在制造缺陷，對機械性能有害。工件的孔隙率是一種缺陷，它直接降低了極限強度，它同時也是零件疲勞和斷裂強度的致命缺陷。此類缺陷的存在不符合行業(yè)要求的標準，因此阻礙了這些行業(yè)采用增材制造技術。為此，已經進行了大量研究以了解增材制造過程中的孔隙形成機制并控制已建成零件的孔隙率。在各種孔隙缺陷中，鎖孔模式熔化下的孔隙率是激光焊接中普遍存在的缺陷，其引起了廣泛關注。

實驗表明小孔通常是球形的并且集中在熔池底部。然而，這些實驗并沒有直接觀察到小孔的形成，也不能對小孔的形成機制給出定量的解釋。最近，鑰匙孔動力學的原位 X 射線成像根據鑰匙孔的位置確定了三種類型的鑰匙孔：（i）鑰匙孔壁中間壁架的瞬時氣泡，在鑰匙孔波動期間迅速消失，（ii）由于激光停止或轉動而導致軌道末端的鑰匙孔，以及（iii）由于鑰匙孔波動而熔化池底部的鑰匙孔。第一種類型的氣泡在形成后幾乎立即被消除，并且對于孔隙形成機理無關緊要。軌道末端的毛孔不僅與鎖孔動力學有關，而且還由激光掃描路徑決定，而這些孔隙通常通過輪廓掃描和后處理拋光來減少或消除。因此，鑰匙孔波動是最顯著的，這是本研究的重點。 L-PBF中粉末顆粒與激光的相互作用僅對鎖孔波動和鎖孔形成有影響。為了排除隨機堆積的粉末顆粒的影響，目前的研究僅考慮裸板。

鎖孔動力學的數值模擬是一種互補，節(jié)省成本和有效的方法來了解鎖孔孔隙的形成機制。馬丁等人模擬了軌道末端的鎖孔，并制定了減少這些孔隙的策略。林等人的模擬結果表明，調整激光入射角可以減少激光焊接過程中鎖孔的數量。巴亞特等人研究了鎖孔孔隙與輸入功率的關系，并利用實驗結果驗證了仿真結果。唐等人的模擬結果表明，熔池底部的球形孔隙是隨著AM期間能量密度的增加而形成的。譚等人的模擬顯示小孔孔徑隨著環(huán)境壓力的降低而減小。

盡管原位實驗和之前的模擬已經對小孔孔隙形成提供了經驗觀察，但小孔表面的反沖壓力分布、能量分布與小孔波動的關系、小孔孔隙形成過程中的熔池流動等基本原理仍然存在且難以捉摸。

在本研究中，新加坡國立大學機械工程系閆文濤教授團隊采樣多物理場熱流體流動模型，傳熱、熔池流、馬蘭戈尼效應、金屬蒸發(fā)反沖壓力、達西定律和激光光線追蹤等手段，模擬了鎖孔波動和鎖孔形成過程。根據X射線成像結果驗證了瞬間氣泡形成和凝固前沿的模擬結果，分析了激光掃描速度增加對鎖孔深度波動、吸收能量分布、鎖孔孔大小、熔池流量和力的變化趨勢，以解釋其機理和影響。此外，還探索了通過模擬近真空環(huán)境壓力下的熔池流動來減少甚至消除小孔的方法。相關研究以題“Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing”發(fā)表在nature上。

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小孔孔形成過程有兩個不同的階段：（i）瞬間氣泡形成和（ii）在凝固前階段釘扎。瞬間氣泡的形成主要是由于鎖孔的不穩(wěn)定性（后鎖孔壁上的不平衡力）。在凝固前沿的氣泡釘扎過程中，瞬間氣泡下方的高流速會產生垂直阻力，阻礙氣泡上浮到熔池表面。氣泡最終被凝固前沿捕獲，形成小孔。

鎖孔表面不均勻分布的反沖壓力增加了鎖孔塌陷形成鎖孔孔的可能性。此外，來自糊狀區(qū)的阻力是相關的，因為它決定了熔池底部的小孔波動。為了提高阻力和小孔波動計算的準確性，需要考慮AM中晶粒形態(tài)的達西阻力模型。

圖1由于鎖孔不穩(wěn)定而導致的瞬間氣泡形成。a–c 是鎖孔不穩(wěn)定性的 X 射線成像結果。d–f、g–i 和 j–l 是仿真案例1中的速度、反沖壓力和鎖孔表面溫度。激光位置和掃描方向以a和d表示。系列 b 中的箭頭表示速度方向。d 中的黑色虛線圓圈表示前鎖孔墻上的突出部分。e中的黑色虛線圓圈顯示了新生的鑰匙孔。g中的紅色虛線表示激光位置，并將鎖孔分隔為后部和前部部件。b–l 中的白色實線是固體溫度 Ts的等值線。在普通環(huán)境壓力下，Ti-6Al-4V的沸騰溫度為3315 K，j-l表示鎖孔表面的沸騰區(qū)域。

圖2 案例2中鎖孔孔隙形成過程中熔池中的速度場。黑色虛線圓圈在a是迷你鑰匙孔。b-e中的氣泡b是鑰匙孔坍塌的瞬間氣泡。a–e 中的白色實線是固體溫度 Ts的等值線。

圖3 鎖孔孔形成過程示意圖。金屬蒸發(fā)產生的反沖壓力（P娛樂）、流體動壓（Pl）、表面張力壓力（Ps）和糊狀區(qū)阻力（FD）導致鎖孔不穩(wěn)定，產生氣泡b1和b2。由于伯努利原理，氣泡不會直接漂浮起來，而是被凝固前沿捕獲。

圖4 鑰匙孔和鑰匙孔孔特征。a–c 在掃描軌道中心平面的 t = 2000 μs 處，案例 2 （525 mm.s−1）、案例 3 （500 mm.s−1） 和案例 4 （475 mm.s−1） 中的鎖孔孔。d、e 最大鎖孔孔孔徑和平均鎖孔深度之間的模擬和實驗。f 鎖孔深度隨時間波動。b1、b2和b3分別是案例2-4中的最大孔隙。b01在a中是模擬案例2中的第二大孔隙，用e表示。外殼編號和激光掃描速度以d，e一起顯示，以便更好地進行比較。e 中的誤差線是鎖孔深度的標準偏差

圖5 案例2-4中熔池的速度場。在案例 2 （a， d）、案例 3 （b， e） 和案例 4 （c， f） 中，熔池中的 a–c 速度大小和 d–f 流線在 t = 2000 μs 時。a–c 中的白色實心曲線和 d–f 中的灰色等值線是固體溫度 Ts的等值線。

圖6 案例2-4中鎖孔表面的能量吸收率。a 整個鑰匙孔表面，b前鑰匙孔墻和c后鑰匙孔墻。

圖7 t = 2000 μs時10−4大氣壓（案例5）下熔池流動的模擬結果。a 熔池中的溫度分布、b速度幅度分布和c流線。a中的白色曲線是液相溫度Tl的等值線，b中的白色曲線和c中的灰色等值線是固體溫度Ts的等值線。

圖8 不同環(huán)境壓力下鎖孔表面溫度和反沖壓力的比較。a、b 溫度場高于沸騰溫度和c、d在普通環(huán)境（案例3）和低環(huán)境壓力（案例5）下鎖孔表面的反沖壓力。a、c 和 b、d 分別是案例 3 和案例 5 的仿真結果。a 和 b 中的白色曲線是固體溫度 Ts的等值線。

圖9 案例3（1個大氣壓）和案例5（10−4大氣壓中的鑰匙孔深度和能量吸收率。a 鎖孔深度，b總能量吸收率，前鎖孔壁上的能量吸收率，后鎖孔壁上的d能量吸收率。

小孔孔徑對制造參數很敏感。隨著激光掃描速度的略微增加，小孔孔徑顯著減小，小孔形狀變?yōu)榍蛐�，水平分布在熔池底部�?/font>此外，小孔波動和能量吸收率變化的特征可以作為預測小孔形成可能性的標準。低環(huán)境壓力是減少甚至消除小孔形成的可行方法。與普通環(huán)境壓力相比，低環(huán)境下后鎖孔壁的反沖壓力更大，并保持了穩(wěn)定的鎖孔形狀。