上海交通大學(xué)凝固科學(xué)與技術(shù)研究所：在激光增材制造原位研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院董安平研究員、熊良華副教授、杜大帆副教授、何林助理教授課題組聯(lián)合北京中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所張兵兵副研究員團(tuán)隊(duì)，在激光增材制造同步輻射原位研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”為題發(fā)表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上，這是國(guó)內(nèi)首篇僅利用國(guó)內(nèi)同步輻射資源發(fā)表的原位增材高水平文章。

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104181

該工作利用同步輻射高能X射線快速成像技術(shù)，對(duì)典型高熵Cantor合金在傳導(dǎo)模式下的多層定向能量沉積（DED）過(guò)程進(jìn)行了原位研究，揭示了三種新的孔洞形成機(jī)制，并驗(yàn)證了三種已知的孔洞生成機(jī)制；與此同時(shí)，基于熔池尺度流場(chǎng)高時(shí)空分辨表征，提出了一種調(diào)控馬蘭戈尼流實(shí)現(xiàn)孔隙消除新機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為高熵合金的增材制造提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)的計(jì)算模型和深入理解熔池微觀尺度下的孔隙控制策略。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張書(shū)雅為論文第一作者，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫寶德教授、董安平研究員、熊良華副教授、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所張兵兵副研究員為論文共同通訊作者，上海交通大學(xué)為論文第一完成單位。

圖1 同步輻射原位研究激光定向能量沉積增材制造過(guò)程，從熔池尺度高精度高時(shí)空分辨揭示內(nèi)部孔洞形成及演化新機(jī)制。

激光定向能量沉積（Laser Directed Energy Deposition, LDED）增材制造技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜幾何形狀和大尺寸組件的高質(zhì)量制造，并且能夠制備微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)的新型合金和功能梯度合金，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和核能領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)的鑄造和焊接工藝相比，3D打印產(chǎn)品通常表現(xiàn)出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸，難以保障其激光打印一致性和穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了零件的力學(xué)和服役性能。因此，通過(guò)優(yōu)化工藝過(guò)程以減少孔隙，對(duì)于打印高熵合金等新型金屬至關(guān)重要。然而，目前對(duì)于多層DED過(guò)程在傳導(dǎo)模式下孔洞形成機(jī)制的系統(tǒng)性分析仍然有限；熔池內(nèi)部形成的孔洞如何隨熔流演變并相互作用？這些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題對(duì)于減少甚至消除孔隙至關(guān)重要，而多物理模擬熔流對(duì)孔隙往往依賴(lài)高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)前在多道次DED原位實(shí)驗(yàn)研究尚未報(bào)道。

圖2 同步輻射快速成像原位研究DED過(guò)程。（a）利用高能快速X射線成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉末輸送示意圖；（b）同步輻射線站原位表征裝置圖。

針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，研究人員利用同步輻射高能X射線快速成像技術(shù)，高時(shí)空分辨穿透高溫金屬熔體，實(shí)時(shí)觀察到高動(dòng)態(tài)微尺度下熔池和氣孔的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，原位研究了傳導(dǎo)模式下多層DED過(guò)程中多種合金體系（從鋁基、鈦基、鎳基合金到高熵合金）中的孔洞形成及演化行為，闡明了熔池內(nèi)六種孔洞生成機(jī)制和三種孔洞演化機(jī)制。

圖3 同步輻射快速成像高時(shí)空分辨表征熔池形貌，定量化數(shù)據(jù)可以標(biāo)定和輸入高保真模型。

研究還發(fā)現(xiàn)，典型Cantor高熵合金中存在獨(dú)特的逆Marangoni對(duì)流現(xiàn)象，有助于延長(zhǎng)孔洞的生存時(shí)間。在熔池循環(huán)區(qū)，孔洞沉降至激光相互作用區(qū)相鄰位置的熔池底部，隨后被推至熔池尾部；在接觸到凝固前沿之前向上移動(dòng)，并重新進(jìn)入熔池內(nèi)部循環(huán)。長(zhǎng)壽命孔洞通常會(huì)在熔池激光相互作用區(qū)和循環(huán)區(qū)相鄰位置合并，容易向高溫區(qū)域移動(dòng)，在熱毛細(xì)力和浮力主導(dǎo)下經(jīng)由熔池表面逃逸。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)高熵合金等新合金體系DED工藝參數(shù)優(yōu)化、開(kāi)發(fā)可靠的高保真計(jì)算模型以及從熔池尺度調(diào)控缺陷等具有理論指導(dǎo)意義。

圖4 Cantor合金多道次熔覆后熔道形貌，可以看出激光能量密度嚴(yán)重影響多道次熔道內(nèi)部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固后成形質(zhì)量。

圖5 同步輻射原位表征數(shù)據(jù)定量化分析熔池內(nèi)部孔洞的捕獲和消除行為

上述相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（編號(hào)：52201017和52071205）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào)：J2019-VI-0004-0117）、國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)（項(xiàng)目號(hào)：2021YFB3703400）、上海市浦江人才計(jì)劃（22PJ1408000）以及中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所等項(xiàng)目和單位的支持。

上海交通大學(xué)凝固科學(xué)與技術(shù)研究所聚焦于高性能金屬材料先進(jìn)制造及凝固理論研究，特別是在高溫合金調(diào)壓鑄造和激光增材制造方面，具備國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的首臺(tái)套工業(yè)級(jí)設(shè)備，并與國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)和研究院所保持長(zhǎng)期深入合作關(guān)系。近年來(lái)主持國(guó)家973計(jì)劃1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專(zhuān)項(xiàng)2項(xiàng)，面上項(xiàng)目20余項(xiàng)，青年基金項(xiàng)目3項(xiàng)，以及部分上海市科委、經(jīng)信委、教委的科研項(xiàng)目，同時(shí)承擔(dān)了多項(xiàng)企業(yè)委托課題。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期誠(chéng)聘高溫合金調(diào)壓鑄造、激光增材制造、同步輻射原位表征等方向博士后，聯(lián)系人：董安平（apdong@sjtu.edu.cn）。