金屬增材制造中小孔形成機(jī)理研究

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

在金屬增材制造過(guò)程中，零件的孔隙率會(huì)降低機(jī)械性能，甚至阻礙金屬增材制造的進(jìn)一步應(yīng)用。特別是目前與小孔波動(dòng)相關(guān)的小孔的機(jī)制尚不完全清楚。

為揭示小孔形成的機(jī)理，新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系閆文濤教授團(tuán)隊(duì)采用結(jié)合傳熱、液體流動(dòng)、馬蘭戈尼效應(yīng)和達(dá)西定律的多物理熱流體流動(dòng)模型來(lái)模擬小孔形成過(guò)程，并獲得了原位驗(yàn)證結(jié)果。仿真結(jié)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(yùn)動(dòng)而導(dǎo)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(duì)制造參數(shù)很敏感。此外，低環(huán)境壓力下的模擬表明提高小孔穩(wěn)定性以減少甚至避免小孔形成的可行性。

相關(guān)研究以題“Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing”發(fā)表在Computational Materials 。
www.nature.com/articles/s41524-022-00699-6

研究背景
金屬增材制造 (AM) 以其無(wú)需特殊工具就可制造出復(fù)雜形狀零件的能力而聞名。而且其能縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并節(jié)省材料成本。但是，金屬增材制造工件的孔隙率是一種缺陷，它直接降低了極限強(qiáng)度，它同時(shí)也是零件疲勞和斷裂強(qiáng)度的缺陷。這類(lèi)缺陷的存在不符合行業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此阻礙了這些行業(yè)采用增材制造技術(shù)。為此，增材制造界及學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以了解增材制造過(guò)程中的孔隙形成機(jī)制并控制已建成零件的孔隙率。在各種孔隙缺陷中，小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(guān)注。

實(shí)驗(yàn)表明小孔通常是球形的并且集中在熔池底部。然而，這些實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有直接觀察到小孔的形成，也不能對(duì)小孔的形成機(jī)制給出定量的解釋。最近，小孔動(dòng)力學(xué)的原位 X 射線成像根據(jù)小孔的位置確定了三種類(lèi)型：（i）小孔壁中間壁架的瞬時(shí)氣泡，在小孔波動(dòng)期間迅速消失，（ii）由于激光停止或轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致軌道末端的小孔，以及（iii）由于小孔波動(dòng)而熔化池底部的小孔。

第一種類(lèi)型的氣泡在形成后幾乎立即被消除，并且對(duì)于孔隙形成機(jī)理無(wú)關(guān)緊要。軌道末端的毛孔不僅與小孔動(dòng)力學(xué)有關(guān)，而且還由激光掃描路徑?jīng)Q定，而這些孔隙通常通過(guò)輪廓掃描和后處理拋光來(lái)減少或消除。因此，小孔波動(dòng)是最顯著的，這是本研究的重點(diǎn)。L-PBF中粉末顆粒與激光的相互作用僅對(duì)小孔波動(dòng)和小孔形成有影響。為了排除隨機(jī)堆積的粉末顆粒的影響，目前的研究?jī)H考慮裸板。

小孔動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬是一種互補(bǔ)，節(jié)省成本和有效的方法來(lái)了解小孔孔隙的形成機(jī)制。馬丁等人模擬了軌道末端的小孔，并制定了減少這些孔隙的策略。林等人的模擬結(jié)果表明，調(diào)整激光入射角可以減少激光焊接過(guò)程中小孔的數(shù)量。巴亞特等人研究了小孔孔隙與輸入功率的關(guān)系，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果。唐等人的模擬結(jié)果表明，熔池底部的球形孔隙是隨著增材制造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(shí)驗(yàn)和之前的模擬已經(jīng)對(duì)小孔孔隙形成提供了經(jīng)驗(yàn)觀察，但小孔表面的反沖壓力分布、能量分布與小孔波動(dòng)的關(guān)系、小孔孔隙形成過(guò)程中的熔池流動(dòng)等基本原理仍然存在且難以捉摸。

研究團(tuán)隊(duì)采用多物理場(chǎng)熱流體流動(dòng)模型，傳熱、熔池流、馬蘭戈尼效應(yīng)、金屬蒸發(fā)反沖壓力、達(dá)西定律和激光光線追蹤等手段，模擬了小孔波動(dòng)和小孔形成過(guò)程。根據(jù)X射線成像結(jié)果驗(yàn)證了瞬間氣泡形成和凝固前沿的模擬結(jié)果，分析了激光掃描速度增加對(duì)小孔深度波動(dòng)、吸收能量分布、孔大小、熔池流量和力的變化趨勢(shì)，以解釋其機(jī)理和影響。此外，還探索了通過(guò)模擬近真空環(huán)境壓力下的熔池流動(dòng)來(lái)減少甚至消除小孔的方法。

小孔孔隙形成過(guò)程有兩個(gè)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小孔的不穩(wěn)定性（后小孔壁上的不平衡力）。在凝固前沿的氣泡釘扎過(guò)程中，瞬間氣泡下方的高流速會(huì)產(chǎn)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。

小孔表面不均勻分布的反沖壓力增加了小孔塌陷形成小孔的可能性。此外，來(lái)自糊狀區(qū)的阻力是相關(guān)的，因?yàn)樗鼪Q定了熔池底部的小孔波動(dòng)。為了提高阻力和小孔波動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要考慮AM中晶粒形態(tài)的達(dá)西阻力模型。

研究結(jié)果與討論

圖1為由于小孔不穩(wěn)定而導(dǎo)致的瞬間氣泡形成。a–c 是小孔不穩(wěn)定性的 X 射線成像結(jié)果。d–f、g–i 和 j–l 是仿真案例1中的速度、反沖壓力和小孔表面溫度。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小孔墻上的突出部分。e中的黑色虛線圓圈顯示了新生的小孔。g中的紅色虛線表示激光位置，并將小孔分隔為后部和前部部件。b–l 中的白色實(shí)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表示小孔表面的沸騰區(qū)域。

圖2為案例2中小孔孔隙形成過(guò)程中熔池中的速度場(chǎng)。黑色虛線圓圈在a是迷你小孔。b-e中的氣泡b是小孔坍塌的瞬間氣泡。a–e 中的白色實(shí)線是固體溫度 Ts的等值線。

圖3 小孔孔隙形成過(guò)程示意圖。金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的反沖壓力（Prec）、流體動(dòng)壓（Pl）、表面張力壓力（Ps）和糊狀區(qū)阻力（FD）導(dǎo)致小孔不穩(wěn)定，產(chǎn)生氣泡b1和b2。由于伯努利原理，氣泡不會(huì)直接漂浮起來(lái)，而是被凝固前沿捕獲。

圖4顯示了下孔和孔隙特征。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） 中的小孔孔隙。d、e 最大孔隙孔徑和平均小孔深度之間的模擬和實(shí)驗(yàn)。f 小孔深度隨時(shí)間波動(dòng)。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(hào)和激光掃描速度以d，e一起顯示，以便更好地進(jìn)行比較。e 中的誤差線是小孔深度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖5為論文案例2-4中熔池的速度場(chǎng)。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(shí)。a–c 中的白色實(shí)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 為論文案例2-4中小孔表面的能量吸收率。a 整個(gè)小孔表面，b前小孔壁和c后小孔壁。

圖7為在t=2000μs，10-4atm環(huán)境壓力下熔池流動(dòng)的模擬結(jié)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為不同環(huán)境壓力下小孔表面溫度和反沖壓力的比較。a、b 溫度場(chǎng)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）下小孔表面的反沖壓力。a、c 和 b、d 分別是案例 3 和案例 5 的仿真結(jié)果。a 和 b 中的白色曲線是固體溫度 Ts的等值線。

圖9顯示了案例3（1個(gè)大氣壓）和案例5（10−4大氣壓中的小孔深度和能量吸收率。a 小孔深度，b總能量吸收率，前小孔壁上的能量吸收率，后小孔壁上的d能量吸收率。

小孔孔徑對(duì)制造參數(shù)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)榍蛐危�水平分布在熔池底部。此外，小孔波�?dòng)和能量吸收率變化的特征可以作為預(yù)測(cè)小孔形成可能性的標(biāo)準(zhǔn)。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)境下后小孔壁的反沖壓力更大，并保持了穩(wěn)定的小孔形狀。