原创 《Nat Commu》原位X射线探究激光增材制造过程中的缺陷形成机理和熔池动力学

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原创 《Nat Commu》原位X射线探究激光增材制造过程中的缺陷形成机理和熔池动力学

原标题:《Nat Commu》原位X射线探究激光增材制造过程中的缺陷形成机理和熔池动力学

激光天地导读:目前对激光增材制造过程中激光与物质之间的相互作用和凝固现象背后的规律并不清晰。这延缓了该技术的发展和优化升级。本文通过原位高速同步X射线进行操作,揭示了沉积第一层和沉积第二层时的内在物理机制。研究发现激光能量诱导的气体/蒸汽流促进了激光熔道的形成和通过飞溅(速度1m.s-1)形成裸露 区域。同时揭示了由于Marangon效应驱动所造成的气孔迁移机制(循环速率为0.4m.s-1),气孔的溶解和分散,同时绘制出用于熔化特性的工艺图:随线能量下降熔道形貌从连续到椭圆到不连续熔道的变化以及随激光功率的增加促进熔池润湿性的增加。该研究结果澄清了激光增材制造的机制,这对该技术的发展非常重要。这一重要结果发表在顶刊《Nature Communications 》上。

激光增材制造技术,主要包括铺粉式激光增材制造和送粉式激光增材制造两大类,主要采取熔化金属、陶瓷和其他粉末或丝材,通过层层堆积来制造出复杂形体的过程。激光增材制造在学术界和工业界引起了人们极大的兴趣和关注。激光增材制造技术在关键重要领域的应用,如涡轮叶片、生物医疗和能量存储器件等领域的进一步应用却受到限制。这主要是因为面临着一系列的挑战,如尺寸精度问题和存在缺陷等。包括粉末熔化不充分、残余的空隙和飞溅等。这些缺陷的存在会导致产品的性能不均一(如屈服强度和疲劳性能),从而在服役过程中会发生危险。为了减少在激光增材制造过程中发生缺陷的可能性,就需要对激光与物质的相互作用和粉末在凝固过程中的凝固机理有一个清晰、深入的认识。

在LAM制造Invar36合金进行单道沉积时不同时间观察到的熔池瞬时形态

在激光增材制造过程中,激光与物质的相互作用可以这样描述,激光束接触粉末颗粒、粉末颗粒吸收激光能量开始熔化、形成金属蒸汽等。粉末凝固包括熔化进入熔池的粉末和被激光照射而发生熔化的粉末、粉末形成熔池而后流动、飞溅并凝固的过程。在当前,由于复杂的熔池行为发生-结束的时间非常短暂(10-6~10-3s),导致这些问题发生的机理问题的研究非常不容易,从而造成认识不足。

不同工艺参数下获得的不同时间条件下的熔道形貌

目前采用激光增材制造(LAM)设备中的在线监测装置已经部分解决了这些过程中背后机制的揭示问题,如飞溅和线性凝固过程。这些原位观察设备为LAM增材制造过程中的计算模拟提供了非常便利的帮助。然而,熔池中的流体动力学行为,作为熔池熔道形成的重要环节,并不曾被深入理解。这不仅阻碍了我们对增材制造的认识和理解,也妨碍了过程模拟工具的发展。

LAM制造Invar36合金时获得的不同时间时的图像

第三代同步辐射源可以提供高通量的X射线,这使得获取前所未有的高空间分辨率(几微米)和时间分辨率(十分之一微妙)。这一技术已经被用来捕获激光焊接过程中的熔池动力学研究。同时,在激光束静止不动时诱导产生的熔池的匙孔气孔的形成和演化也进行了研究。

LAM制造两道时获得的飞溅和气孔

本文中,我们采用原位同步辐射X射线影像技术研究了激光增材制造过程中的缺陷形成和熔池动力学机制。我们揭示并解释了熔道、飞溅以及气孔形成的机制,包括气孔的迁移、溶解、分布和爆满。本文的研究方法和得到的结果有助于理解增材制造国内工艺过程和用于其他材料加工工艺技术的研究,如激光焊接和激光熔覆。在这些工艺过程中,气孔和飞溅的形成也是常见的过程。

原文来源:Leung, C.L.A., Marussi, S., Atwood, R.C. et al. In situ X-ray imaging of defect and molten pool dynamics in laser additive manufacturing. Nat Commun 9, 1355 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03734-7

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