激光粉末床融合(LPBF)是一種3D打印技術(shù)(也稱為增材制造)，它可以直接從數(shù)字模型中打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統(tǒng)制造路線的設(shè)計限制家夺，這有可能徹底改變生物醫(yī)學(xué)、航空航天和國防工業(yè)伐弹。然而拉馋，由LPBF印刷的零件通常比由常規(guī)方法制造的零件包含更多的孔這嚴(yán)重阻礙了它們的應(yīng)用，因為氣孔是導(dǎo)致零件失效的最有害的缺陷之一惨好。

許多機制可導(dǎo)致在印刷過程中在熔體池中形成孔(例如煌茴，來自原料粉末的孔轉(zhuǎn)移、印刷過程中凹陷區(qū)的不穩(wěn)定性、揮發(fā)性元素的蒸發(fā)蔓腐、氣體沉淀)矩乐。浮力不能有效地消除熔池中的軟管孔，浮力是一種從液體中消除孔的常用機制合住，因為在LPBF工藝中強勁的熔體流動所引起的高阻力將孔捕獲在熔池中 僵卿。因此特与，在印刷零件中普遍觀察到孔释何。通過后處理來完全消除印刷零件中的孔是非常具有挑戰(zhàn)性的。例如注括，熱等靜壓（HIP）無法關(guān)閉表面孔坯肿；HIP封閉的氣孔可以在隨后的熱處理過程中重新打開并生長。

因此蝴车，為了獲得具有非常低或零孔隙率的印刷部件蔗承，揭示在LPBF過程中熔體池中孔隙演化和消除的動力學(xué)和機理以及識別在印刷過程中消除孔隙的機理是至關(guān)重要的。然而蛹协，由于孔隙的小尺寸和高速度主瘸，以及金屬的不透明性質(zhì)，原位和實時探測這些微孔的運動是非常具有挑戰(zhàn)性的兆焦。早期的研究糊怖，包括使用x光成像來可視化激光熔池中的孔隙運動，取得了一些成功生碗。但是由實驗室光源或中能同步加速器設(shè)備提供的分辨率不足以捕捉這些微孔的一些快速運動捻艳。

在該研究中，研究人員們使用高速硬X射線成像技術(shù)庆猫，以高分辨率（100ps的時間分辨率和?2μμm的空間分辨率）揭示了LPBF過程中熔池中微孔的高動態(tài)和復(fù)雜運動认轨。通過互補的多物理場建模，研究人員發(fā)現(xiàn)孔隙的移動行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)作用力和熔體流動引起的阻力的競爭支配月培。并且由激光相互作用區(qū)域中的高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服由熔體流動引起的阻力嘁字，從而在LPBF過程中快速消除熔池中的孔。本文揭示的熱毛細(xì)作用力驅(qū)動的孔消除機制可用于設(shè)計3D打印方法杉畜，以實現(xiàn)金屬的無孔3D打印纪蜒。

圖1a示意性地顯示了原位高速X射線成像實驗，該實驗捕獲了LPBF期間的孔隙運動和消除動力學(xué)寻行。X射線原位成像實驗裝置包括粉末床系統(tǒng)（在兩個玻璃狀碳板之間夾在基板上的100μm粉末層）霍掺，選擇性激光熔化系統(tǒng)（掃描粉末床并創(chuàng)建熔池） ）和高速X射線成像系統(tǒng)（以捕獲LPBF過程的動態(tài)變化）。

圖1. LPBF過程中孔隙動力學(xué)的原位表征

LPBF過程中熔池中孔隙運動和消除的動力學(xué)及其機理如下圖所示拌蜘「怂福孔的運動行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)作用力和熔體流動引起的拖曳力的競爭支配。當(dāng)孔的尺寸變大時简卧，浮力將發(fā)揮更重要的作用兔魂。然而郑舷，研究人員的估計表明，要使浮力在正常使用的LPBF條件下占主導(dǎo)地位锌拱，孔的大小需要達(dá)到毫米肘鹅，甚至大于LPBF工藝中典型熔池的大小。因此姿抒，在LPBF過程中用于消除孔的主要驅(qū)動力是熱毛細(xì)管力奇门，而不是通常認(rèn)為的浮力。

圖2. 孔隙動力學(xué)和消除機制茂蓬。示意圖顯示了低滲透流化床過程中孔隙運動的動力學(xué)和孔隙消除的機理

熱毛細(xì)管力驅(qū)動的孔消除可以作為在LPBF過程中消除孔的有效方法栖啰。這里，提供兩個示例作為概念證明吴钧。首先劫漠，研究人員證明，在適當(dāng)?shù)募す饧庸l件下宙娃，通過熱毛細(xì)作用力可以消除原料粉末中的孔拄弯，以實現(xiàn)無孔道，如下圖a-d所示幻林。其次贞盯，研究人員證明通過使用適當(dāng)?shù)?a target="_blank" class="mmstipl3" href="http://www.atkqc.com/3d-laser-scanner/">激光掃描參數(shù)進(jìn)行激光再掃描，通過熱毛細(xì)作用力將消除先前形成的層中的孔滋将，如下圖e–h所示邻悬。研究人員已經(jīng)對AlSi10Mg和Ti6Al4V合金進(jìn)行了實驗 。研究人員在兩種合金中均通過熱毛細(xì)作用力實現(xiàn)了孔消除随闽，這表明由熱毛細(xì)作用力驅(qū)動的孔消除機制不限于特定的合金體系父丰。

圖3. 使用熱毛細(xì)作用力消除毛孔

研究人員最終發(fā)現(xiàn)了一種通過將復(fù)雜的原位實驗和多物理模型協(xié)同結(jié)合來有效消除金屬3D印刷中的孔隙的機制。他們預(yù)計掘宪，此處揭示的熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機制可以為開發(fā)實現(xiàn)無孔隙3D打印的方法開辟道路蛾扇，從而釋放3D打印技術(shù)的全部潛力。熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機制也適用于廣泛的研究和工程領(lǐng)域魏滚，在這些領(lǐng)域中镀首，孔隙演化非常重要，并且存在溫度梯度鼠次，例如激光拋光更哄、激光熔覆、焊接等齿矗。

該研究團(tuán)隊自2015年以來一直在使用位于美國能源部（DOE）科學(xué)用戶辦公室位于阿貢國家實驗室的先進(jìn)光子源（APS）來研究快速成型制造工藝用玷。APS能產(chǎn)生強烈的強光X射線，可以穿透金屬零件，在金屬從粉末中成型時實時拍攝圖像疗涎。用APS的激光和粉末設(shè)置侵透，該研究團(tuán)隊記錄了熔池中的孔隙的形成和隨后的移動，這些孔隙的寬度比人的頭發(fā)還小理若。該團(tuán)隊由前密蘇里科技大學(xué)（Missouri University of Science and Technology）和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的Liananyi Chen和前阿貢（Argonne）X射線科學(xué)部門（Argonne's X射線科學(xué)部門）逞脚、現(xiàn)弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的Tao Sun領(lǐng)導(dǎo)。

圖4. 在APS處捕獲的X射線圖像顯示了增材制造過程中鋁的激光熔化涡似。在激光的左側(cè)霸篡，您可以看到在加工過程中形成的細(xì)小孔，隨著時間的推移矫恳，這些細(xì)孔會在最終產(chǎn)品中產(chǎn)生缺陷咒饼。

（南極熊）

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)炕烈，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享刮赵，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議皱坛。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布编曼、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺剩辟，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)掐场。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片贩猎、文字如涉及作品版權(quán)問題熊户，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容吭服，以保證您的權(quán)益嚷堡！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。