Nature！利用原位X射線成像和多物理場(chǎng)建模揭示DED孔隙演化機(jī)理

2024年2月28日，南極熊獲悉，倫敦瑪麗女王大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院 (UCL)、勞斯萊斯和國(guó)際研究人員展開合作，在闡明定向能量沉積 (DED) 中孔隙形成機(jī)理方面做出了重大突破。

這項(xiàng)研究近日以題為“Pore evolution mechanisms duringdirected energy deposition additive manufacturing”的論文被發(fā)表在《自然通訊》上，由Kai Zhang、Chu Lun Alex Leung & Peter D.Lee等人聯(lián)合撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45913-9

定向能量沉積 (DED)是一種很有前景的逐層增材制造 (AM) 技術(shù)，可為高附加值產(chǎn)品制造復(fù)雜的幾何形狀。DED還應(yīng)用于修復(fù)應(yīng)用，例如修復(fù)損壞的渦輪葉片。然而，汽車、船舶、航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的 DED 工藝的工業(yè)化受到工藝過程中引入的孔隙率的限制，因?yàn)榭紫堵士赡懿焕�于部件的最終機(jī)械性能，尤其是疲勞壽命。

孔隙率是 DED 生產(chǎn)的部件的一個(gè)常見特征，并且已在各種合金中觀察到，包括鈦合金鎳基高溫合金和鋁合金。孔隙度主要包括氣體孔隙度和缺乏熔合特征，按其形成機(jī)制分類。氣體孔隙率可源于原料、保護(hù)氣體的截留、以及在固體中比液態(tài)金屬更難溶解的氣體(例如氫氣)的放出。由于能量輸入不足，可能會(huì)形成缺乏熔合孔隙的情況。DED 中的孔隙率通常采用非原位觀察技術(shù)進(jìn)行研究，包括金相觀察和 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描。然而，這些技術(shù)無法捕捉到孔隙形成的現(xiàn)象，也無法捕捉到它們生長(zhǎng)和遷移的動(dòng)態(tài)。為了開發(fā)具有最小孔隙率的高性能 DED 組件，有必要利用原位觀察來清楚地了解孔隙演化和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

△DED 過程中的動(dòng)態(tài)氣泡行為和機(jī)制

瑪麗女王大學(xué)工程與材料科學(xué)學(xué)院的 Chinnapat Panwisawas 博士強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的重要性，并指出了解孔隙演化對(duì)于最大限度地發(fā)揮 DED 的潛力至關(guān)重要。在這里，研究人員利用原位 X 射線成像和多物理場(chǎng)建模揭示了 DED 過程中的孔隙演化機(jī)制，量化了導(dǎo)致孔隙形成、遷移、推動(dòng)、生長(zhǎng)、去除和截留的五種機(jī)制：

（i）氣霧化粉末中的氣泡進(jìn)入熔池，然后循環(huán)或橫向遷移；

(ii) 小氣泡可以從池表面逸出，或者合并成更大的氣泡，或者被凝固前沿捕獲；

(iii) 在固/液界面的推動(dòng)下，較大的聚結(jié)氣泡可以在池中保留很長(zhǎng)時(shí)間；

(iv) 馬蘭戈尼表面剪切流克服浮力，防止較大氣泡彈出；

(v) 一旦大氣泡達(dá)到臨界尺寸，它們就會(huì)從池表面逸出或被困在 DED 軌道中。

這些機(jī)制可以指導(dǎo)孔隙最小化策略的開發(fā)。

△DED 期間的孔隙形成機(jī)制。（圖片來源：倫敦大學(xué)學(xué)院）

通過采用先進(jìn)的原位 X 射線成像和多物理場(chǎng)建模，該團(tuán)隊(duì)闡明了 DED 期間熔池內(nèi)孔隙形成和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)。他們的研究結(jié)果為最大限度地減少孔隙率和增強(qiáng)DED 生產(chǎn)的部件的機(jī)械性能提供了寶貴的見解。該研究為各個(gè)領(lǐng)域更安全、更可靠和高質(zhì)量的制造打開了大門。

正如 Panwisawas 博士所指出的那樣，利用這些知識(shí)可以生產(chǎn)出更強(qiáng)大、更安全、更可靠的組件，從而推動(dòng)增材制造進(jìn)入新的可能性領(lǐng)域。