導讀：激光粉末床熔合是一種占主導地位的金屬3D打印技術。然而，孔隙缺陷是一個重要挑戰。有些孔隙與被稱為鑰匙孔的深而窄的蒸汽凹陷有關，這發生在高功率、低掃描速度的激光熔化條件下。研究發現Ti-6Al-4V小孔是由小孔尖端的嚴重不穩定性引起的，小孔孔隙率在功率-速度圖的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。鑰匙孔不穩定性在熔池中產生聲波，為鑰匙孔尖端附近的氣孔提供額外而重要的驅動力，使其遠離鑰匙孔并成為缺陷。
激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬添加劑制造工藝，正在徹底改變制造業。在典型的LPBF工藝中，在數字計算機輔助設計與制圖(CADD)模型的指導下，用高功率密度的激光掃描薄薄的粉末層，對金屬粉末進行局部熔化，并將其熔合到前一層。盡管LPBF具有無與倫比的直接制造具有復雜幾何形狀的零件的能力，但相關的孔隙率仍然是其致命弱點，因為這會損害產品的性能（例如，耐腐蝕性和疲勞壽命）。深入的研究工作促進了對孔隙度的理解和控制。高速同步x射線成像顯示，在導致氣孔的各種機制中，熔化的“鑰匙孔”模式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要性，近年來引起了廣泛的關注金屬快速蒸發產生的強大反沖壓力將周圍的熔體液體向下推，形成一個又深又窄的洞，稱為“鑰匙孔”。在鑰匙孔內，激光束經過多次反射，大大提高了激光的吸收，提高了能量效率。但是，在某些激光條件下，鑰匙孔壁會不斷波動并坍塌。該過程通常歸因于熱毛細力、馬朗戈尼對流、反沖壓力和氣體等離子體的出現。這種鑰匙孔的不穩定性會產生孔，如果孔被凝固前沿捕獲，則孔會成為構件中有害的結構缺陷。功率-速度（P - V）圖直接涉及產品的質量（密度或孔隙率）工藝參數。在P-V圖的物理基礎中，一個缺失的部分是所謂的“鑰匙孔孔隙邊界”，它將生產出名義上完全致密的零件的加工條件與那些有氣孔的零件分離開來，這個邊界是否明確并可重復使用。此外，與激光裸板熔化相比，在LPBF中，粉末的存在與較大的鎖孔波動和較大的孔形成有關。然而，對邊界和任何由粉末引起的位移缺乏量化。清華大學機械工程系趙滄教授，卡內基梅隆大學Anthony D. Rollett和弗吉尼亞大學Tao Sun等人使用原位高速在第三代高能X射線成像光源完成這塊丟失的P-V圖。通過定量描述鎖眼孔隙邊界，闡明粉的效果，揭示鎖眼孔的基本來源和他們在LPBF過程中的初始運動。觀察到Ti-6Al-4V小孔形成過程的細節，這些小孔是由小孔尖端的嚴重不穩定性引起的。關鍵的鎖孔不穩定性在熔體池中產生聲波，為鎖孔尖端附近的氣孔提供額外而重要的驅動力，使其遠離鎖孔并成為缺陷。這一發現為鎖孔形成的原因提供了新的認識。相關研究成果以題“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”于北京時間2020年11月27日在Science上發表。在有或沒有粉末存在的情況下，將鑰匙孔孔隙度狀態與穩定熔化狀態區分開的鎖孔孔隙度邊界出乎意料的平滑和鋒利（圖1A）。越過邊界朝著更高的能量密度，可識別的孔從鑰匙孔底部釋放到液體中（圖1B）。在恒定的激光功率下，最大孔徑都隨著掃描速度的降低而上升。少數情況偏離了這種趨勢，最可能是由于不同樣品中粉末床厚度的變化以及相對于孔形成事件而言，X射線成像可用的時間窗口較短。
圖1 鎖孔孔隙率邊界和粉末在激光熔化中的作用
綜上所述，作者發現了一種新的機制，該機制揭示形成小且通常為球形的孔的原因：在高度動態的激光-金屬相互作用過程中產生的聲波在驅動鍵孔尖端附近的孔足夠遠離它們通過凝固而被困在鎖孔周圍的大的熱梯度場。除了這種主要機制外，在低功率水平時，次級機制還會導致由于波動的鎖孔塌陷和收縮而導致孔捕獲。拖曳力也可能將孔隙拉離縮回的鎖眼。在更廣泛的范圍內，定義明確的鎖孔孔隙度邊界的存在不僅為預測工藝窗口提供了更安全的基礎，而且對邊界附近產生小孔隙的新認識。
