3D科学谷Review
临界失稳与气泡缺陷
3D科学谷在《无毛孔的SLM金属3D打印Nature子刊展现热毛细力驱动的孔隙消除机制》一文中曾详细分享了阿尔贡国家实验室开发的热毛细力驱动的孔隙消除机制。Nature Communications 2019年7月12日揭晓了阿贡国家实验室的解决方案通过联合原位高速高分辨率同步加速器X射线成像实验和多物理场建模科学家们展现了LPBF历程中孔隙运动、动力学机制。
科学家发现由激光相互作用区域中的高温梯度引起的高热毛细管可以在LPBF历程中快速消除熔池中的孔隙。
1. 正文泉源：清华大学
该研究事情以“激光加热中匙孔根部的临界失稳发生气泡缺陷”（Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting）为题揭晓在《科学》（Science）。
研究人员通过高能X射线直接视察小孔的表象和动力学讲明：（i）粉末床激光熔化历程中使用的功率和扫描速度规模内小孔现象都是存在的；（ii）基于激光功率密度从传导模式到小孔有明确的阈值; (iii) 小孔现象根据以下顺序形成：汽化液面下降不稳定形成小孔。
关于孔隙形成的视察3D科学谷曾详细先容过卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室的研究团队使用高速X射线成像技术来研究粉末床金属熔化 3D打印中小孔的形成他们在研究中发现了加工参数和小孔之间的简化关系。
孔隙形成
l 论文链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1080
图1关于匙孔气泡区界限和气泡缺陷起源的艺术插图。左侧在激光功率-扫描速率空间中匙孔气泡区界限清晰而平滑。右侧在该界限四周匙孔根部的临界失稳释放作声波（打击波）进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉便成了缺陷。
（插图设计者：清华大学冯叶；©清华大学赵沧）
其一匙孔气泡区的界限是否可以被清晰界说而且具有重复性？在激光粉末床熔融成形中“激光功率-扫描速率”工艺图谱将产物质量（如相对密度）与工艺参数（亦包罗扫描间距）直接联系起来便于3D打印机的用户查询和参考。然而在该图谱中几个关键部门仍然缺失以至于无法准确确定打印工艺的优化窗口其中一个就是匙孔气泡缺陷区域的界限。
该界限将划分出稳定熔化区和匙孔气泡区而全致密成形仅存在于前者。
激光粉末床熔融成形是金属3D打印中广泛使用的一门技术。在一个典型的成形历程中基于一个离散化的三维数字模型高功率激光快速扫过一层金属粉末颗粒（厚度为几十到一百微米）有选择性地将粉末颗粒熔化和融合。因此该技术在庞大几何结构零部件的直接制造方面具有无与伦比的优势。
可是气泡总是如影如随损害零部件的抗腐蚀、抗疲劳性能因此往往在尖端应用领域（如航空发念头涡轮叶片）成为阿喀琉斯之踵。一般认为在激光粉末床熔融成形中激光加热处于传导模式而匙孔的广泛存在性直到2019年头才被展现。这意味着匙孔作为气泡缺陷的一种可能泉源不行被忽视。
很长时间以来业界有关有关金属3D打印存在的毛孔不是致命缺陷的讨论。不外我们知道即即是铸造工艺存在毛孔也实属正常。更况且对于如何淘汰甚至消除粉末床金属3D打印技术所带来的毛孔的问题是科学家们一直努力的偏向包罗调整加工参数包罗历程中工艺监测和质量控制等等。
其二金属粉末颗粒的作用？一般认为粉末颗粒的存在会发生更大的匙孔涨落和更多的气泡。可是该认识一直停留在定性的形貌上粉末颗粒的作用缺乏定量化的评价和分析。
主要研究偏向为金属增材制造关键机理的探索完成了美国先进光子源金属增材制造同步辐射在线监测平台的设计和研制并深入研究了匙孔演化、液滴飞溅、匙孔气泡等基础问题。此前严格界说了激光加热的三种模式指出了增材制造中匙孔的广泛存在性。
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