導(dǎo)讀：鎖孔孔隙率是激光粉末床熔合 （LPBF） 中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，可能會(huì)影響部件的疲勞壽命。然而，一些鎖孔孔隙的形成機(jī)制仍不清楚，例如鎖孔波動(dòng)、塌陷和氣泡生長(zhǎng)和收縮。研究結(jié)果表明（i）鎖孔孔隙度不僅可以在不穩(wěn)定的情況下啟動(dòng)，而且還可以在由高激光功率速度條件產(chǎn)生的過(guò)渡鎖孔狀態(tài)中引發(fā)，從而導(dǎo)致快速的徑向鎖孔波動(dòng)（2.5-10 kHz）；（ii） 過(guò)渡機(jī)制塌陷往往發(fā)生在后壁的一部分；（iii） 鎖孔塌陷后，氣泡由于壓力平衡而迅速增長(zhǎng)，然后由于金屬蒸汽冷凝而收縮。在冷凝的同時(shí)，氫擴(kuò)散到氣泡中會(huì)減緩收縮并穩(wěn)定氣泡尺寸。這里揭示的鎖孔波動(dòng)和氣泡演化機(jī)制可能會(huì)指導(dǎo)控制系統(tǒng)的開發(fā)，以最大限度地減少孔隙率。

激光粉末床熔合 （LPBF） 增材制造正在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛探索用于金屬零件的生產(chǎn)。在 LPBF 過(guò)程中，中等功率（~ 100–1000 W）但緊密聚焦（光斑尺寸~ 20–100 μm）的激光以高速（~0.05–4 ms-1）掃描連續(xù)的細(xì)金屬粉末層，選擇性地熔化和鞏固粉末以構(gòu)建完全致密的部分。LPBF 的典型加工結(jié)構(gòu)-性能聯(lián)系是：高熱梯度和高冷卻速率（~104–106 Ks-1） 有利于沿構(gòu)建方向定向的細(xì)柱狀晶粒，從而產(chǎn)生通常表現(xiàn)出強(qiáng)度增加、延展性降低、并增加微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能各向異性具體取決于合金系統(tǒng)。

LPBF 期間的激光通量足以使金屬汽化，產(chǎn)生反沖壓力，將熔融金屬推離激光-物質(zhì)相互作用區(qū)。隨著激光能量密度的增加，反沖壓力大到足以打開一個(gè)深的、高縱橫比的蒸汽凹陷，稱為鎖孔。這通常用于激光焊接以實(shí)現(xiàn)薄而深的接頭。LPBF 通常以鎖孔模式熔化運(yùn)行，以確保連續(xù)層之間的完全融合。此外，由于激光束沿鎖孔的多次反射，激光吸收率在鑰匙孔熔化中顯著增加，為通過(guò) LPBF 制造高反射率材料（例如，反射率約為 91% 的鋁基復(fù)合材料）打開了大門，或者實(shí)現(xiàn)了更經(jīng)濟(jì)的用于 LPBF 的激光熱源（例如二極管激光器）不會(huì)犧牲構(gòu)建效率。然而，鎖孔受到軸向波動(dòng)和徑向擾動(dòng)的影響，這些擾動(dòng)由能量和壓力的平衡控制，對(duì)鎖孔不穩(wěn)定構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)，在某些情況下還會(huì)坍塌。鎖孔塌陷通常會(huì)導(dǎo)致熔池中形成氣泡，氣泡可能會(huì)被凝固前沿截留而形成孔隙。保留在最終零件中的小孔可能充當(dāng)應(yīng)力集中器和裂紋萌生和擴(kuò)展的位置，使其可能對(duì)疲勞壽命和其他最終部件的機(jī)械性能有害。

幾個(gè)過(guò)程模型解釋了激光焊接和 LPBF 過(guò)程中小孔孔隙形成的物理特性，揭示了反沖壓力、表面張力和 Marangoni 對(duì)流對(duì)鎖孔的交互影響，以及重力、阻力、浮力的競(jìng)爭(zhēng)影響和對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的熱毛細(xì)力。最近，原位同步加速器 X 射線成像已應(yīng)用于 LPBF，捕捉熔池亞表面的小孔和小孔孔隙的一些動(dòng)態(tài)，包括：小孔形態(tài)演變；光柵掃描過(guò)程中轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的孔隙形成；通過(guò)熱毛細(xì)力消除孔隙；Marangoni 驅(qū)動(dòng)下的孔隙遷移和孔隙聚結(jié);小孔塌陷發(fā)出的聲波將孔隙從小孔尖端推開，以及多層 LPBF期間的孔隙演化。然而，鎖孔形成的動(dòng)力學(xué)仍未完全了解。在被凝固前沿捕獲之前，關(guān)鍵孔波動(dòng)在關(guān)鍵孔坍塌和氣泡演化（例如，形成、生長(zhǎng)、收縮和遷移）中的作用在很大程度上尚未得到探索。對(duì)于后者，先前的研究探討了蒸發(fā)和冷凝對(duì)過(guò)熱液體中水蒸氣氣泡動(dòng)力學(xué)的影響，以及溶解氣體擴(kuò)散對(duì)鑄件中氣泡生長(zhǎng)的影響，但尚不清楚蒸發(fā)、蒸氣冷凝和溶解氣體擴(kuò)散影響 LPBF 中的氣泡演化。

在這里，倫敦大學(xué)Yuze Huang 和Peter D. Lee等人在商用鋁合金 Al7A77（美國(guó) HRL 實(shí)驗(yàn)室）的 LPBF 期間進(jìn)行原位同步加速器 X 射線成像，該鋁合金在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和汽車行業(yè)具有重要應(yīng)用，并且在近紅外光譜中具有高激光反射率，對(duì)激光加工提出了挑戰(zhàn)。我們?cè)?LPBF 中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定 （I） 和不穩(wěn)定 （III） 鎖孔狀態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài) （II），其中鎖孔形態(tài)從 II 中的寬和淺變?yōu)?III 中的窄和深。在 II 中也觀察到孔形成，主要存在于后鎖孔壁 （RKW），而鎖孔孔隙率在 III 中更為普遍，孔通常在鎖孔底部形成。盡管一些先前的工作表明鎖孔波動(dòng)在很大程度上是隨機(jī)的，但我們觀察到鎖孔寬度和深度的規(guī)律振蕩，在三個(gè)鎖孔狀態(tài)下具有顯著的趨勢(shì)波動(dòng)頻率。我們發(fā)現(xiàn)這些狀態(tài)由前鎖孔壁 （FKW） 角很好地定義，對(duì)于不同的材料，它折疊為歸一化焓積的單一函數(shù)。通過(guò)將我們的氣泡模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)氣泡動(dòng)力學(xué)是由壓力均衡引起的快速初始增長(zhǎng)定義的，然后是由于金屬蒸汽冷凝引起的收縮。在冷凝的同時(shí)，氫氣可能會(huì)擴(kuò)散到氣泡中，減緩氣泡收縮并穩(wěn)定氣泡尺寸。最后研究了氣泡與推進(jìn)凝固前沿相互作用時(shí)的快速變形。相關(guān)研究成果以題“Keyhole fluctuation and pore formation mechanisms during laser powder bed fusion additive manufacturing”發(fā)表在金屬頂刊nature communications上。

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https://doi.org/10.1038/s41467-022-28694-x

本文揭示了鎖孔的壽命動(dòng)態(tài)（生長(zhǎng)、收縮、遷移、與凝固微觀結(jié)構(gòu)的相互作用以及通過(guò)推進(jìn)凝固前沿捕獲），引入了一個(gè)閾值，即歸一化焓積，以揭示和闡明不同的小孔生成機(jī)制和在 LPBF 的穩(wěn)定、過(guò)渡和不穩(wěn)定條件下，它們相應(yīng)的匙孔熔化狀態(tài)。我們關(guān)于鑰匙孔波動(dòng)和氣泡動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果提供了關(guān)鍵指導(dǎo)（例如，氣泡生長(zhǎng)/收縮率、孔隙位置和尺寸），以通過(guò)使用雙激光 LPBF 機(jī)器或混合 LPBF63 重熔實(shí)現(xiàn)原位孔隙消除，并通過(guò)實(shí)時(shí)抑制孔隙在廣泛的高能束加工技術(shù)（如電子束熔化、小孔激光焊接和激光鉆孔）中對(duì)小孔動(dòng)力學(xué)（如光束振蕩）進(jìn)行時(shí)間控制。

圖1 LPBF中的鎖孔坍塌機(jī)制和相關(guān)的鎖孔熔化狀態(tài)轉(zhuǎn)變。a 在不同的激光掃描速度下，在（I）準(zhǔn)穩(wěn)定、（II）過(guò)渡和（III）不穩(wěn)定的鎖孔狀態(tài)下，鎖孔形態(tài)從寬和淺到窄和深的變化。b 前鎖孔壁 （FKW） 角作為歸一化焓積的函數(shù)，用于 9 個(gè)具有四種不同材料的數(shù)據(jù)集。c 在 （II） 過(guò)渡狀態(tài)下用裸鋁板進(jìn)行激光熔化的射線照片，顯示后鎖孔壁 （RKW） 坍塌以及相關(guān)插圖 d。e 在 （III） 不穩(wěn)定狀態(tài)下用裸鋁板進(jìn)行激光熔化的射線照片，顯示鑰匙孔底部塌陷以及相關(guān)插圖f。t0 是 RKW 或底部鎖孔擴(kuò)展之前捕獲幀的時(shí)間。d 和 f 中的紅色、藍(lán)色和綠色箭頭分別代表激光束、流體流和蒸氣流。d 和θ 分別代表鎖孔深度和FKW 角。激光功率 500 W，激光光斑尺寸 50 μm。所有比例尺對(duì)應(yīng)于 150 μm。

在這項(xiàng)研究中，將鋁合金 Al7A77 的 LPBF 的原位同步加速器 X 射線成像結(jié)果與最近對(duì)其他關(guān)鍵增材制造合金（例如，Ti-6Al-4V、Inconel 718、SS 304）的研究相結(jié)合。我們發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定 （I） 和不穩(wěn)定 （III） 鎖眼機(jī)制之間的過(guò)渡機(jī)制 （II）。這種過(guò)渡狀態(tài) （II） 對(duì)于具有大 AED （AED≥ 7 MJ m-2） 的高 PV 組合最為明顯。如圖 1 所示，蒸汽抑制在狀態(tài) （II） 中變得不穩(wěn)定，隨機(jī)塌陷并在后鎖孔壁 （RKW） 的中間產(chǎn)生孔隙，而不是在狀態(tài) （III） 中的鎖孔底部，這是傳統(tǒng)上觀察到的孔隙形成位置。我們還觀察到不同鎖孔狀態(tài)下鎖孔波動(dòng)頻率（徑向和軸向）的顯著趨勢(shì)，其中最快的波動(dòng)發(fā)生在過(guò)渡狀態(tài)（II）中，約為 10 kHz（圖 2）。根據(jù)觀察，我們?yōu)榍版i孔壁 （FKW） 角開發(fā)了一種材料、機(jī)器和工藝條件不可知的關(guān)系，它折疊為歸一化焓積的單一函數(shù)（圖 1b）。由此產(chǎn)生的關(guān)系提供了一個(gè)無(wú)量綱閾值，用于預(yù)測(cè)不同合金和加工條件（例如激光光斑尺寸、激光功率、激光掃描速度）的三個(gè)小孔狀態(tài)轉(zhuǎn)變和小孔孔隙率的開始。

圖2 LPBF 中的鎖孔動(dòng)力學(xué)。a 相對(duì)于平均值的鎖孔寬度，激光掃描速度為 1.6 m/s（頂部，藍(lán)色）和 0.8 m/s（底部，紅色）。使用標(biāo)記大小和示例 X 射線照片（1a、b；2a、b）突出顯示檢測(cè)到的峰/谷。小孔寬度 b 和深度 c 中連續(xù)峰/谷之間的平均周期作為歸一化焓積的函數(shù)。虛線是平滑樣條擬合。d 有和沒(méi)有粉末的情況下的百分比面積孔隙率。誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖3 LPBF 期間的鎖孔氣泡壽命動(dòng)態(tài)。激光掃描速度 1 m/s 和激光功率 500 W。a 和 b 分別是 Al7A77 粉末和裸鋁板的 X 射線照片。c 和 d 分別顯示了在有（實(shí)線）和沒(méi)有（虛線）Al7A77 粉末的 LPBF 期間氣泡當(dāng)量直徑的示例時(shí)間演變。氣泡大小誤差計(jì)算為 ±2 像素（1.96 μm/像素），相當(dāng)于分割的不確定性。粉末和裸板情況下的總跟蹤氣泡數(shù)分別為 5 和 8（補(bǔ)充圖 9a），使用的標(biāo)準(zhǔn)是識(shí)別氣泡的最小幀數(shù)為 6。時(shí)間 t0 設(shè)置為第一次識(shí)別氣泡的時(shí)刻（注意，在 c 和 d 中，t0 設(shè)置為 t0 = 0）。黑色虛線圓圈顯示 c 中的初始?xì)馀菰鲩L(zhǎng)。a 和 b 中顯示的感興趣的氣泡分別用綠色和淡紫色標(biāo)記，對(duì)應(yīng)于 c 中的相同顏色。Vap，蒸氣、Ar 氬、H2 氫。所有比例尺對(duì)應(yīng)于 100 μm。

圖4 鎖孔誘導(dǎo)氣泡動(dòng)力學(xué)的跟蹤和建模。在低 a 和高 b 激光掃描速度下，鑰匙孔和氣泡的彩色地圖跟蹤，分別對(duì)應(yīng)于方案 （III） 和 （II）。將模擬的氣泡尺寸變化與低 c 和高 d 激光掃描速度下的原位 X 射線測(cè)量值進(jìn)行比較。氣泡尺寸誤差計(jì)算為 ±2 像素（1.96 μm/像素），相當(dāng)于分割不確定性。注意，氣泡在后期分裂成兩個(gè)小氣泡，其中等效直徑是根據(jù)（c）中它們的總面積估算的。X 射線成像的時(shí)間分辨率（20 μs）不足以捕捉到氣泡生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程，因此我們無(wú)法獲得足夠的數(shù)據(jù)并充分驗(yàn)證氣泡生長(zhǎng)模型。e 氣泡遷移距離與其初始形成位置的比較。氣泡遷移距離誤差是基于在有限的相機(jī)曝光時(shí)間（2.5 μs）期間以瞬時(shí)速度（0-5 m/s）的氣泡運(yùn)動(dòng)計(jì)算的。低激光掃描速度 0.8 m/s，高掃描速度 1.2 m/s，激光功率 500 W。時(shí)間 0 設(shè)置為第一次出現(xiàn)氣泡時(shí)。

此外，本文闡明了鎖孔的形成過(guò)程，包括熔池中汽泡的壽命動(dòng)力學(xué)，其特點(diǎn)是三個(gè)階段（圖 3）：（1）快速壓力驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)，（2）金屬收縮蒸氣冷凝，因氫擴(kuò)散而減慢，以及 （3） 與凝固微觀結(jié)構(gòu)（例如，蜂窩狀枝晶）的相互作用并被前進(jìn)的凝固前沿捕獲。此外，我們提出了氣泡生長(zhǎng)和收縮的模型（圖 4），包括壓力驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)、蒸汽冷凝和氫擴(kuò)散的物理特性。發(fā)現(xiàn)該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，支持我們的假設(shè)：（i）階段（1）早期中的爆炸性氣泡增長(zhǎng)主要是壓力驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，其中氣泡體積膨脹接近~t3；（ii）氫擴(kuò)散足夠高以穩(wěn)定階段（2）中冷凝后期的氣泡尺寸。