頂刊(IF=17.521)：定量研究激光增材制造過程的相互依賴動(dòng)力學(xué)！

來源：材料科學(xué)與工程

激光粉末床熔化（laser powder bed fusion, LPBF）,  又稱為激光選區(qū)熔化（Selective laser melting, SLM）, 是一種利用聚焦激光束逐層選擇性地熔合粉末顆粒，從而將3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成部件的增材制造工藝。利用LPBF技術(shù)可以生產(chǎn)眾多行業(yè)高價(jià)值的金屬部件，目前該技術(shù)已在航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、能源和國防裝備生產(chǎn)中獲得初步應(yīng)用。由于LPBF增材的制品經(jīng)常出現(xiàn)工藝-性能不一致，因此，各界對增材部件（例如渦輪葉片或船舶螺旋槳）的安全性要求極高，該工藝的工程應(yīng)用依然相當(dāng)有限。通過LPBF工藝制造的零件容易在微觀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)各向異性和缺陷，包括孔隙、微裂紋、夾雜物和高表面粗糙度等，從而無法達(dá)到理想的力學(xué)性能和使用要求，并在使用過程中出現(xiàn)過早失效的問題。目前，LPBF制造過程中缺陷和工藝參數(shù)之間的關(guān)系仍有諸多科學(xué)問題尚不清楚。

針對LPBF制造過程中存在的材料物理和缺陷動(dòng)態(tài)演變過程，來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）和盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室（Research Complex at Harwell，Science & Technology Facilities Council，Rutherford Appleton Laboratory）的科研人員（通訊作者：C. L. A. Leung博士，P. D. Lee教授-英國皇家工程院院士）利用同步輻射X射線高速成像技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)，并結(jié)合多相過程模擬研究了LPBF制備Inconel625合金時(shí)孔隙度和熔池隆起的演變過程，并對相關(guān)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化分析。該研究中，大連理工大學(xué)作為合作單位參與了部分相關(guān)工作。相關(guān)成果以“Quantification of Interdependent Dynamics during Laser Additive Manufacturing Using X-Ray Imaging Informed Multi-Physics and Multiphase Simulation” 為題于2022年10月發(fā)表在Advanced Science（2021年IF: 17.521，中科院1區(qū)）期刊上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203546

研究表明，孔隙和微孔形成的現(xiàn)象是由鎖孔中的高溫溫度和高金屬蒸氣濃度驅(qū)動(dòng)。不規(guī)則孔隙通過小孔塌陷、孔隙合并和隨后的凝固前沿捕獲形成。深入的研究表明，快速移動(dòng)的蒸氣羽流和熔池混合體作用導(dǎo)致開爾文–亥姆霍茲（Kelvin–Helmholtz）熔道表面不穩(wěn)定，最終形成熔道隆起。在本項(xiàng)研究中，研究人員利用同步輻射X射線高速成像和高保真物理模型定量化分析了粉末激光單層掃描條件下的孔隙演化動(dòng)力學(xué)、孔徑分布、波紋度、表面粗糙度和熔體體積變化規(guī)律，為LPBF中缺陷的形成機(jī)理以及工藝優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)。

圖1 時(shí)間序列射線照片顯示了Inconel 625合金LPBF期間熔道和孔隙的形成（P=150 W，v=50 mm s−1，t=100μm，d=50μm，SE=0.095 MJ m−1s−1/2 ) ：a) 圖片背景消減 (BGS) 前的射線照片，其中淺灰色、中灰色和深黑色分別顯示了氬氣/背景、Inconel 625 粉末和基材。紅色箭頭表示掃描激光束方向，藍(lán)色箭頭表示氬氣流動(dòng)方向，黃色虛線表示熔化區(qū)域。選定的 BGS圖像揭示了 b) 2、c) 19.6 和 d) 62.7 ms處的孔隙形成現(xiàn)象以及感興趣的區(qū)域。放大圖像 (e–h)顯示不規(guī)則孔隙的形成，其中 f) 展示了由于Marangoni對流卷入的氣孔，g) 顯示了卷入氣孔與預(yù)先存在孔隙的合并，h)顯示了凝固后的氣孔形狀和位置。圖中比例尺為 100 μm。請?jiān)敿?xì)參閱支撐附件中動(dòng)畫 S1獲取更多細(xì)節(jié)。

圖2 Inconel 625 合金LPBF期間的二維微孔面積定量化演變結(jié)果:  在 a) 0.095 和 b) 0.067 MJ m−1 s−1/2 比能量（SE）條件下覆蓋有跟蹤孔（紅色）的示例性射線照片； c)實(shí)驗(yàn) (a) 和 (b) 的孔隙面積分析；數(shù)據(jù)最佳擬合方程分別為：y = 1.359 × 10−3x − 3.803 × 10−3 (r2= 0.829, p-value = 0.0005) 和 y = 4.63 × 10−4x − 4.999 × 10−4 (r2= 0.925) , p 值 = 0.0014)。比例尺 200 μm。氣孔跟蹤視頻可在支撐附件材料動(dòng)畫 S2 和 S3中獲取。

圖3多相模擬結(jié)果顯示了Inconel 625 合金LPBF期間的熔池和缺陷動(dòng)力學(xué)演變過程：在LPBF開始時(shí)，a）發(fā)生激光鉆孔并在汽化凹陷區(qū)（VPZ）形成匙孔； b) 由于金屬蒸汽的冷卻和凝結(jié)導(dǎo)致的孔隙收縮，參見孔隙演化事件（插圖）； c) LPBF過程中的I-J匙孔轉(zhuǎn)變，其中匙孔腔主要包含氬氣； d) 由于金屬蒸汽和氬氣混合引起的匙孔不穩(wěn)定性導(dǎo)致的匙孔形成； e)顯示了隨著比能量SE 的降低導(dǎo)致孔隙率和匙孔深度的降低。所有比例尺均為 100 μm。請參閱支撐附件材料中視頻 S4–S6獲取詳細(xì)信息。

圖4使用高保真多相模擬結(jié)果揭示的隨比能量（specific energy，SE）和時(shí)間變化的(a-c)熔池幾何形狀、(d-e)微孔生長速率和(f)表面溫度的定量化演變結(jié)果。 a) 長度、b) 深度和 c) 熔池幾何形狀的寬度隨時(shí)間的量化關(guān)系，其中 (a–c) 中的垂直虛線顯示熔池幾何形狀達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。 d) 隨時(shí)間量化的孔隙面積，圖中顯示了基于移動(dòng)最小值擬合線性回歸線。洋紅色圓圈為LPBF過程期間形成的大量孔隙； e) 從模擬和(d)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖 2c）中提取的孔隙增長率（r2 = 0.956，p 值 = 0.00146），f) 顯示最大和平均熔池溫度，其中 3300 K 是液態(tài)合金的最大溫度；比例尺為250 μm。

圖5  Inconel 625合金熔體軌跡中隨比能量（specific energy，SE）變化的熔體體積和孔隙體積分析的三維定量化結(jié)果。在a）0.095、b）0.067、c）0.047和d）0.033 MJ m−1s−1/2的比能量SE條件下形成的帶有內(nèi)部空隙的三維熔道。灰色代表熔體體積，彩色對應(yīng)于孔體積當(dāng)量等效直徑 Deq。量化結(jié)果分析： e) 熔體體積（r2 = 0.996，p 值 = 0.0022），f）孔體積（r2 = 0.975，p 值 = 0.00128），g）孔徑分布，和 h）最近的孔到熔體表面距離圖（r2 = 0.975，p 值 = 0.00125）。圖 (h) 使用標(biāo)準(zhǔn)誤差棒，藍(lán)色陰影區(qū)域覆蓋和最大測量值。實(shí)心圓圈和正方形標(biāo)記分別表示最大和最小孔至熔體表面最近距離。插圖顯示熔道 (a)中與孔重疊，并帶有孔至熔體表面最近距離的色圖。

圖6  隨比能量（specific energy，SE）變化的Inconel 625合金熔道的拓?fù)湫蚊卜治觥�a) 熔道輪廓、b)波紋度（r2 = 0.991，p 值 = 0.00465）和 c）表面粗糙度（r2 = 0.997，p 值 = 0.00167）隨比能量 SE 的函數(shù)繪制圖。

圖7 在不同比能量（specific energy，SE）作用下的Inconel 625熔道的背散射電子組織圖像：(a）0.095、(b）0.067、(c）0.047和 (d）0.033 MJ m −1 s −1/2（白色虛線顯示了熔池和基底之間的界面，比例尺50μm）