顶刊(IF=17.521)：定量研究激光增材制造过程的相互依赖动力学！

来源：材料科学与工程

激光粉末床熔化（laser powder bed fusion, LPBF）,  又称为激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）, 是一种利用聚焦激光束逐层选择性地熔合粉末颗粒，从而将3D数字模型转换成部件的增材制造工艺。利用LPBF技术可以生产众多行业高价值的金属部件，目前该技术已在航空航天、汽车、生物医学、能源和国防装备生产中获得初步应用。由于LPBF增材的制品经常出现工艺-性能不一致，因此，各界对增材部件（例如涡轮叶片或船舶螺旋桨）的安全性要求极高，该工艺的工程应用依然相当有限。通过LPBF工艺制造的零件容易在微观结构上出现各向异性和缺陷，包括孔隙、微裂纹、夹杂物和高表面粗糙度等，从而无法达到理想的力学性能和使用要求，并在使用过程中出现过早失效的问题。目前，LPBF制造过程中缺陷和工艺参数之间的关系仍有诸多科学问题尚不清楚。

针对LPBF制造过程中存在的材料物理和缺陷动态演变过程，来自英国伦敦大学学院（UCL）和卢瑟福-阿普尔顿实验室（Research Complex at Harwell，Science & Technology Facilities Council，Rutherford Appleton Laboratory）的科研人员（通讯作者：C. L. A. Leung博士，P. D. Lee教授-英国皇家工程院院士）利用同步辐射X射线高速成像技术和电子显微镜技术，并结合多相过程模拟研究了LPBF制备Inconel625合金时孔隙度和熔池隆起的演变过程，并对相关微结构进行了量化分析。该研究中，大连理工大学作为合作单位参与了部分相关工作。相关成果以“Quantification of Interdependent Dynamics during Laser Additive Manufacturing Using X-Ray Imaging Informed Multi-Physics and Multiphase Simulation” 为题于2022年10月发表在Advanced Science（2021年IF: 17.521，中科院1区）期刊上。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203546

研究表明，孔隙和微孔形成的现象是由锁孔中的高温温度和高金属蒸气浓度驱动。不规则孔隙通过小孔塌陷、孔隙合并和随后的凝固前沿捕获形成。深入的研究表明，快速移动的蒸气羽流和熔池混合体作用导致开尔文–亥姆霍兹（Kelvin–Helmholtz）熔道表面不稳定，最终形成熔道隆起。在本项研究中，研究人员利用同步辐射X射线高速成像和高保真物理模型定量化分析了粉末激光单层扫描条件下的孔隙演化动力学、孔径分布、波纹度、表面粗糙度和熔体体积变化规律，为LPBF中缺陷的形成机理以及工艺优化提供了研究基础。

图1 时间序列射线照片显示了Inconel 625合金LPBF期间熔道和孔隙的形成（P=150 W，v=50 mm s−1，t=100μm，d=50μm，SE=0.095 MJ m−1s−1/2 ) ：a) 图片背景消減 (BGS) 前的射线照片，其中浅灰色、中灰色和深黑色分別显示了氩气/背景、Inconel 625 粉末和基材。红色箭头表示扫描激光束方向，蓝色箭头表示氩气流动方向，黃色虚线表示熔化区域。选定的 BGS图像揭示了 b) 2、c) 19.6 和 d) 62.7 ms处的孔隙形成现象以及感兴趣的区域。放大图像 (e–h)显示不规则孔隙的形成，其中 f) 展示了由于Marangoni对流卷入的气孔，g) 显示了卷入气孔与预先存在孔隙的合并，h)显示了凝固后的气孔形状和位置。图中比例尺为 100 μm。请详细参阅支撑附件中动画 S1获取更多细节。

图2 Inconel 625 合金LPBF期间的二维微孔面积定量化演变结果:  在 a) 0.095 和 b) 0.067 MJ m−1 s−1/2 比能量（SE）条件下覆盖有跟踪孔（红色）的示例性射线照片； c)实验 (a) 和 (b) 的孔隙面积分析；数据最佳拟合方程分别为：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。气孔跟踪视频可在支撑附件材料动画 S2 和 S3中获取。

图3多相模拟结果显示了Inconel 625 合金LPBF期间的熔池和缺陷动力学演变过程：在LPBF开始时，a）发生激光钻孔并在汽化凹陷区（VPZ）形成匙孔； b) 由于金属蒸汽的冷却和凝结导致的孔隙收缩，参见孔隙演化事件（插图）； c) LPBF过程中的I-J匙孔转变，其中匙孔腔主要包含氩气； d) 由于金属蒸汽和氩气混合引起的匙孔不稳定性导致的匙孔形成； e)显示了隨着比能量SE 的降低导致孔隙率和匙孔深度的降低。所有比例尺均为 100 μm。请参阅支撑附件材料中视频 S4–S6获取详细信息。

图4使用高保真多相模拟结果揭示的随比能量（specific energy，SE）和时间变化的(a-c)熔池几何形状、(d-e)微孔生长速率和(f)表面温度的定量化演变结果。 a) 长度、b) 深度和 c) 熔池几何形狀的宽度随时间的量化关系，其中 (a–c) 中的垂直虚线显示熔池几何形状达到稳定状态的时间。 d) 隨时间量化的孔隙面积，图中显示了基于移动最小值拟合线性回归线。洋红色圆圈为LPBF过程期间形成的大量孔隙； e) 从模拟和(d)实验数据（图 2c）中提取的孔隙增长率（r2 = 0.956，p 值 = 0.00146），f) 显示最大和平均熔池温度，其中 3300 K 是液态合金的最大温度；比例尺为250 μm。

图5  Inconel 625合金熔体轨迹中随比能量（specific energy，SE）变化的熔体体积和孔隙体积分析的三维定量化结果。在a）0.095、b）0.067、c）0.047和d）0.033 MJ m−1s−1/2的比能量SE条件下形成的带有内部空隙的三维熔道。灰色代表熔体体积，彩色对应于孔体积当量等效直径 Deq。量化结果分析： e) 熔体体积（r2 = 0.996，p 值 = 0.0022），f）孔体积（r2 = 0.975，p 值 = 0.00128），g）孔径分布，和 h）最近的孔到熔体表面距离图（r2 = 0.975，p 值 = 0.00125）。图 (h) 使用标准误差棒，蓝色阴影区域覆盖和最大测量值。实心圆圈和正方形标记分別表示最大和最小孔至熔体表面最近距离。插图显示熔道 (a)中与孔重叠，并带有孔至熔体表面最近距离的色图。

图6  随比能量（specific energy，SE）变化的Inconel 625合金熔道的拓扑形貌分析。a) 熔道轮廓、b)波纹度（r2 = 0.991，p 值 = 0.00465）和 c）表面粗糙度（r2 = 0.997，p 值 = 0.00167）随比能量 SE 的函数绘制图。

图7 在不同比能量（specific energy，SE）作用下的Inconel 625熔道的背散射电子组织图像：(a）0.095、(b）0.067、(c）0.047和 (d）0.033 MJ m −1 s −1/2（白色虚线显示了熔池和基底之间的界面，比例尺50μm）