在激光金屬增材制造中，熔池內(nèi)的熔體流動(dòng)決定了熔體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，對(duì)熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飛濺的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。因此，熔體流動(dòng)行為顯著影響增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)和性能，了解熔體的流動(dòng)行為對(duì)于微觀組織預(yù)測(cè)和過(guò)程控制至關(guān)重要。

在過(guò)去30年的時(shí)間里，關(guān)于熔池中的熔體流動(dòng)行為一直沒(méi)有研究透徹。近日，來(lái)自麥迪遜大學(xué)、密蘇里理工大學(xué)以及美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同揭示并量化了熔池不同區(qū)域中特定位置的流動(dòng)模式，為研究實(shí)際增材制造條件下詳細(xì)的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)開(kāi)辟了道路。

該研究的主要研究人員為中國(guó)或華裔學(xué)者，本期，3D打印技術(shù)參考對(duì)研究主要內(nèi)容進(jìn)行介紹。

熔體的熔化模式與表征三維熔體流動(dòng)的挑戰(zhàn)性

由于難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法直觀地觀察熔池內(nèi)部的流體流動(dòng)，研究人員因此通過(guò)廣泛的建模和仿真來(lái)研究各種條件下的流動(dòng)模式。材料的熔化方式被分為凹陷熔化和傳導(dǎo)熔化。在高功率密度下，由于強(qiáng)烈的材料汽化而產(chǎn)生的反沖壓力會(huì)在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相對(duì)較淺、較寬，沒(méi)有明顯的凹陷，形成傳導(dǎo)模式熔化。

考慮到激光增材制造中物理學(xué)的復(fù)雜性，使用單個(gè)數(shù)值模型來(lái)模擬所涉及的多物理現(xiàn)象是極具挑戰(zhàn)性的。在真實(shí)的激光增材制造條件下，尤其是在激光粉末床熔合條件下，表征三維熔體流動(dòng)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榧す馔ǔＲ愿叩乃俣葤呙?，并且產(chǎn)生的熔池更小。因此，科學(xué)界尚未揭示實(shí)際激光增材制造條件下整個(gè)熔池中的熔體流動(dòng)行為。

熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)原位采樣示意圖，高速高分辨率X射線成像系統(tǒng)用于在縱向視圖和橫向視圖中捕獲熔池中示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)

在這項(xiàng)工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)均勻分散大量的微量示蹤劑（直徑約5μm）并進(jìn)行原位高速高分辨率x射線原位成像，研究激光增材制造過(guò)程中整個(gè)熔池中的熔體流動(dòng)行為。揭示了在傳導(dǎo)模式熔化和凹陷模式熔化下整個(gè)熔池中每個(gè)位置的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，并分析了熔池中液體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和物理過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與熔化模式

實(shí)驗(yàn)采用了AlSi10Mg和Al-6061兩種鋁合金。選擇鋁合金是因?yàn)樗鼈兊腦射線穿透性更高，同時(shí)驗(yàn)證在AlSi10Mg中觀察到的熔體流動(dòng)模式是否也可以在另一種具有不同成分的Al-6061中觀察到。

在粉末床的前后兩側(cè)分別架設(shè)X射線測(cè)量裝置，分別捕獲橫向和縱向的顆粒運(yùn)動(dòng)。

兩種熔化模式下的熔體流動(dòng)方式

由于這兩種熔化模式的物理基礎(chǔ)不同，傳導(dǎo)熔化和凹陷熔化的熔體流動(dòng)行為表現(xiàn)出很大的不同。

在傳導(dǎo)熔化模式下，材料表面被加熱，能量吸收的速度超過(guò)了熱量散失的速度，材料溫度最終達(dá)到熔點(diǎn)形成熔池。熔體的流動(dòng)模式相對(duì)簡(jiǎn)單，主要受到Marangoni驅(qū)動(dòng)力的作用，熔體從較熱區(qū)域流向較冷區(qū)域，即從激光加熱點(diǎn)到熔池邊緣。激光束前面的表面流向前移動(dòng)（順時(shí)針），而激光束后面的表面流向后移動(dòng)（逆時(shí)針），當(dāng)?shù)竭_(dá)熔池的每個(gè)邊緣時(shí)，它們將向下流動(dòng)并在液壓的作用下返回到激光加熱點(diǎn)，形成兩個(gè)閉合回路。

傳導(dǎo)熔化模式下熔體流動(dòng)橫縱向視圖過(guò)渡

傳導(dǎo)模式下全熔池熔體流動(dòng)的三維重構(gòu)

在凹陷熔化模式下，熱源能量非常強(qiáng)烈，材料溫度不僅超過(guò)熔點(diǎn)，而且達(dá)到了沸點(diǎn)。在這種情況下，材料的強(qiáng)烈汽化會(huì)施加反沖壓力進(jìn)入熔池，從而形成一個(gè)凹陷區(qū)。在焊接領(lǐng)域，當(dāng)凹陷區(qū)域尺寸比（深度超過(guò)一半寬度）大于1時(shí)，凹陷模式也稱為“鎖孔模式”，在這種模式下，熱源不僅加熱材料的上表面，還通過(guò)凹陷區(qū)加熱材料的內(nèi)部。

由于強(qiáng)烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流動(dòng)模式相當(dāng)復(fù)雜。與汽化有關(guān)的力和Marangoni力主導(dǎo)著凹陷周圍的流動(dòng)模式。而且隨著凹陷的形成，激光束直接與熔池內(nèi)部相互作用，從而促進(jìn)了能量吸收，與傳導(dǎo)模式相比，能量吸收導(dǎo)致熔池更大，流動(dòng)更復(fù)雜。

凹陷熔化模式下熔體流動(dòng)橫縱向視圖過(guò)渡

凹陷上部的熔體向上移動(dòng)，而靠近凹陷底部的熔體由于受到反沖壓力向下移動(dòng)；熔池表面附近的流動(dòng)從凹陷出口向熔池尾部向后移動(dòng)，熔池底部的流動(dòng)也有向后移動(dòng)的趨勢(shì)，除了在熔池的后底部觀察到短的向前流動(dòng)，兩股熔體最終合并向上移動(dòng)，并分裂成兩個(gè)相反的方向。除此之外，其他位置的流體流動(dòng)模式和流動(dòng)速度也各不相同，分別受到不同作用力的控制（詳細(xì)內(nèi)容查詢?cè)模?/p>

傳導(dǎo)模式下全熔池熔體流動(dòng)的三維重構(gòu)

END

總的來(lái)說(shuō)，本項(xiàng)研究的重要意義在于首次揭示并量化了在激光金屬增材制造過(guò)程中，傳導(dǎo)模式熔化和凹陷模式熔化下，整個(gè)熔池中每個(gè)位置的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)原位高速高分辨率X射線成像的方法為研究實(shí)際增材制造條件下的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)開(kāi)辟了道路，其發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)理解激光增材制造工藝和其他激光工藝至關(guān)重要，對(duì)于開(kāi)發(fā)可靠的高保真計(jì)算模型也至關(guān)重要。