首次!原位X射線全場影像揭示雷射AM過程中熔體流動動力學機制

2020-12-10 江蘇雷射產業創新聯盟

雷射天地導讀：增材製造過程中熔體的流動是非常重要的過程。本文採用原位全場X射線影像技術對增材製造鋁合金的熔體動力學進行了觀察，首次全方位揭示了熔體流動的真實行為。

熔體流動在雷射增材製造過程中扮演著非常重要的角色。然而，對熔體中金屬熔體的飛濺行為，可以說，到至今仍然不清晰。本文報導了原位表徵熔池中各位置的熔體動力學。這一表徵通過原位高通量高解析度的同步X射線影像技術對熔體中的每一微小細節均進行了觀察。熔體中不同特定區域的熔體特徵在熱傳導和塌陷模式下均進行了揭示。熔體不同區域的物理過程也進行了識別。本文報導 的全場熔池圖像為我們詳細研究真實場景下的增材製造時的熔體流動的詳細動力學情況指明了一條新的道路。本文的結果未雷射增材製造工藝提供了重要的參考價值。為發展準確可靠的數值模擬結果也提供了重要的支撐。如下為該文的首頁截圖。

文章首頁截圖

雷射增材製造（如LPBF、DED、LENS、LMD）過程中熔池中金屬熔體的流動決定著整個過程的傳熱和傳質，為熔池的發展變化、缺陷的形成與發展變化、凝固以及飛濺的形成均起到至關重要的作用。因此，熔體行為顯著地影響著增材製造產品的顯微組織和性能。於是，對熔體流動行為的深刻理解，對增材製造產品的顯微組織預測和工藝過程的控制就顯得非常重要。

原位全場影響技術研究熔池熔體動力學的示意圖和觀察到的結果

由於在實驗過程中對熔池中熔體的可視化觀察非常困難，從而導致人們花了大量的數值模擬工作以進行熔體在不同狀態下的行為進行了研究，如不同雷射功率、掃描速度造成的熔池塌陷（指由於雷射功率突然增加，功率密度過大造成金屬蒸汽揮發所形成的蒸汽壓）或熱傳導熔化（一種在較低雷射功率密度下進行的焊縫相對較窄深度相對較深的熔池，無明顯塌陷的情形）兩種情形。表面活性元素對熔體的流動已經有人進行了模擬。然而，由於雷射增材製造過程中物理現象的複雜性，對增材製造過程中的多物理現象採用單個的數學模型來實現模擬是非常困難的。實際上，在許多數值模擬過程中必須先進行大量的假設。有些假設是為了讓計算有效率，有的假設是因為並沒有有用的數據可以參考，另外還有就是對其背後的物理機制根本就沒能理解所造成的。所有的這些假設均存在一定程度上影響著模擬結果的準確性。於是，儘管現有的數值模擬結果與事後檢驗分析的結果會進行對比，模擬得到的結果經常與實驗分析的結果不一致，有時還會出現矛盾的結果。然而，雷射增材製造過程中的塌陷區的一些物理現象曾經採用更為有效的傳熱模型進行了解釋，而沒有考慮兩種熔化模式存在本質的差別。因此，採用實驗手段結合雷射增材製造過程中熔體在熱傳導模式和塌陷區模式下的熔體流動行為，對深入理解熔體的時間流動行為和發展更為有效的計算模型是非常有必要的。

熔體在熱傳導模式下的流動行為

在焊接的研究工作中，人們常常採用痕量元素對焊接熔池中熔體的流動行為進行表徵，這一手段已經使用了幾十年的歷史。最近的一篇文章為由於表面活性元素造成的熔體倒退提供了直接的證據。焊接研究中所採用的痕量元素所具有的尺寸，大的一般在50~500微米，含量在小於等於80個計算單位，只用於跟蹤熔池在一定範圍內的流動行為。可視的光學影像技術，如玻璃側翼觀察，也經常用來進行熔池中熔體流動的直接觀察。然而，玻璃的存在阻擋了傳熱的真實方向並且有可能截斷了熔體在橫截面上的流動。因此，此時觀察到的熔體流動有可能同真實的雷射增材製造相差甚遠。近來，原位X射線技術被用於雷射增材製造的研究。最近的研究工作中採用鎢作為痕量元素，使用同步X射線影像技術對熔體進行了研究，但該研究只是給出了在投影方向的熔體流動和熔池中局部去的熔池流動。

熔體在塌陷區模式下的動力學行為

對雷射增材增材製造過程中的熔體流動進行了3D全方位的表徵，尤其是在粉末床狀態下的表徵，更具有挑戰性。這是因為在雷射粉末床工作狀態下，雷射掃描速度非常快，熔池區域非常小。由於面臨的挑戰頗多，雷射增材製造過程中的熔體流動行為從來就沒有被真正的揭開鍋面紗。

愛雷射增材製造Al6061鋁合金時的熔體動力學行為

本文中，研究者對熔體中添加了直徑約5微米的痕量元素進行了雷射增材製造過程中熔體流動行為的研究，並使用原位高速X射線影像技術進行了觀察。揭示了整個熔池在熱傳導模式和塌陷區模式下的熔池流動動力學。同時分析了影響熔池中熔體流動的驅動力和物理過程。

文章來源：QilinGuo,CangZhao,MingleiQu,LianghuaXiong,S. Mohamm,, H.Hojjatzadeh,Luis I.Escano,Niranjan D.Par,KamelFezz,TaoSun,LianyiChen,In-situ full-field mapping of melt flow dynamics in laser metal additive manufacturing[J].Additive Manufacturing,Volume 31, January 2020, 100939,https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100939

相關焦點

  • 雷射驅動X射線和螢光成像來捕獲原子霧化噴霧的詳細信息
    江蘇雷射聯盟導讀：來自隆德大學（Lund University）的研究團隊使用雙光子雷射誘導螢光影像技術記錄X射線的吸收進行觀察和量化原子的噴霧過程。實驗裝置的示意圖圖解：一個X射線相機來探測傳播的X射線，而此時CMOS相機同時記錄自雙光子激發源產生的螢光噴霧過程中液體的量可以通過探測X射線穿過通過液體的量來進行測量。
  • 清華大學於頂刊《科學》發表金屬3D列印中匙孔氣泡缺陷的起源
    一般認為，在雷射粉末床熔融成形中，雷射加熱處於傳導模式，而匙孔的廣泛存在性直到2019年初才被揭示。這意味著，匙孔作為氣泡缺陷的一種可能來源，不可被忽視。該研究圍繞匙孔氣泡缺陷展開，主要回答了三個問題：其一，匙孔氣泡區的邊界是否可以被清晰定義並且具有重複性？
  • 熔體流動速率對雷射熔體靜電紡絲製備低密度聚乙烯納米纖維的影響
    本研究探討了低密度聚乙烯（LDPE）熔體流動速率（MFRs）對雷射熔體電紡納米纖維直徑的影響。將乙烯-乙烯醇（EVOH）共聚物添加到非極性LDPE中作為紡絲助劑。靜電紡絲後，通過異丙醇/水溶液處理將EVOH從LDPE/EVOH共混纖維中去除，在最大MFR下，獲得直徑僅為190±85nm的LDPE納米纖維。
  • LLNL研究人員通過測量電子發射來提高對雷射金屬3D列印的理解
    江蘇雷射聯盟導讀：來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已通過在雷射加工過程中測量不鏽鋼表面的電子發射來提高基於雷射的金屬3D列印技術的可靠性方面邁出了令人鼓舞的一步。這些結果說明了熱電子發射傳感技術能夠檢測出雷射驅動現象的可能性，這些現象可能導致零件缺陷，優化構造參數並提高LPBF工藝的知識，同時補充現有的診斷能力。在LPBF增材製造過程中用於探測動力學的其他原位診斷方法包括X射線照相術、高速光學成像、光發射光譜法、熱成像、掃描幹涉法和聲波光譜法這些方法已被證明可有效解決雷射誘導的動力學問題，包括熔池流動、孔形成、表面形態，蒸氣羽流生成和粉末剝蝕。
  • 華中大X射線探測器研究有助減少醫學成像和安檢中X射線劑量
    高次諧波輻射的動力學過程可以用「三步」模型解釋，即電離、加速、回復。具體來說，當驅動雷射電場入射時，會壓低原子或分子的庫侖勢壘，電子能夠通過隧道電離方式逃離原子核的束縛，進入連續態；進入連續態的電子在雷射電場的作用下加速運動，並獲得一定的能量；當雷射電場反向時，有一定概率將連續態電子拉回母離子附近並發生複合，電子在雷射場中獲得的動能則以光子的形式輻射出去，即產生高次諧波輻射。整個過程每半個雷射周期（1.33×10-15s）重複一次。
  • 美國馬凱特大學JACS:三種光譜揭示2D導電MOFs中的電荷傳輸機制
    作者結合三種先進的光譜方法，包括時間分辨光譜和X射線吸收光譜和太赫茲光譜，報導了二維Cu-THQ MOFs中電荷傳輸（CT）機制的直接證據，以及載流子的時空行為與其光電導率的相關性。除Cu-THQ外，作者還研究了Cu/Zn-THQ中加入Zn2+客體金屬後的CT，以揭示空間路徑的貢獻，因為氧化還原不活躍的3d10Zn2+的存在會干擾長範圍的平面內CT。
  • 化學所文銳課題組EES:全固態鋰硫電池退化機理的原位可視化研究
    【成果簡介】近期，中國科學院化學研究所文銳課題組在Energy &Environmental Science期刊上發表題為「Direct tracking the polysulfide shuttling and interfacial
  • 熔體流動速率試驗機
    產品介紹：FLRT-熔體流動速率試驗機測定熱塑性塑料在一定條件下的熔體流動速率的用設備。熱塑性塑料的熔體流動速率（熔融指數）是指塑料在一定溫度和負荷下，熔體每10分鐘通過標準口模的熔融質量或熔融體積，用MFR（MI）或MVR值表示，它可區別熱塑性塑料在熔融狀態下的粘流特性。對熱塑性塑料及化纖的原料、製品等產品的質量保證，有著重要的意義。
  • 塑料熔體流動速率測定儀
    塑料的種類是有很多的，在塑料產品當中，熔體流動速率是其中一種檢測標準。這就需要用專業的儀器，塑料熔融指數儀，又叫塑料熔體流動速率測定儀塑料需要熔體流動速率原理熔體流動速率儀是測定熱塑性塑料在一定條件下的熔體流動速率的專用儀器，是指塑料在一定溫度和負荷下，由通過規定長度和直徑的口模擠出的熔融物質，用熔體質量流動速率MFR或熔體體積流動速率MVR
  • 熔體流動速率檢測試驗方法
    熔體流動速率(Melt mass-flow rate ，簡稱MFR，熔體質量流動速率)，也指熔融指數（MI，melt index），是在標準化熔融指數儀中於一定的溫度和壓力下，樹脂熔料通過標準毛細管在一定時間內（一般10min）內流出的熔料克數，單位為g/10min。
  • 首張恐龍化石大面積微聚焦X射線螢光元素分布圖
    ，為自己的夫人拍下了人類第一張手部骨骼的照片，他把這種神秘的光命名為X-射線，自此開啟了醫學影像和X-射線結晶學的革命。1947年，一種「高亮度、高準直性」的X射線，在美國通用電氣公司的電子同步加速器中被首次觀察到，因而得名「同步輻射」。20年後，這種最初不受高能物理學家歡迎的同步輻射光源，開始受到實驗物理學家的青睞，被用來開展其它光源無法實現的許多前沿科學研究。
  • 水窗波段X射線的新發現
    大約20年前首次證明的產生亞飛秒持續時間的光脈衝的能力已經引發了一個全新的領域：原子秒科學和技術。桌面雷射系統的出現使以前不可能進行的研究成為可能，從而使研究人員可以在自然、秒級的時間尺度上跟蹤、成像和表徵原子、分子和固體中的電子過程。使此類研究成為可能的雷射系統通常在極紫外光譜帶中運行。
  • 我學者揭示出俯衝帶深部熔體地球化學組成
    記者從中國科大獲悉，該校地球和空間科學學院陳伊翔特任教授研究組，通過深入研究蘇魯造山帶仰口地區出露的花崗質巖脈，揭示出俯衝帶深部熔體的地球化學組成。相關成果日前發表於國際地球化學領域權威學術期刊《地球與宇宙化學》上。　　板塊構造和長英質地殼的存在，是地球區別於太陽系其它類地行星的關鍵標誌。
  • 古脊椎所等獲首張恐龍化石大面積微聚焦X射線螢光元素分布圖
    1895年，德國物理學家倫琴（Wilhelm Rontgen）用一種穿透力很強的射線，為夫人拍下了人類第一張手部骨骼的照片，他把這種光命名為X-射線，自此開啟了醫學影像和X-射線結晶學的革命。1947年，一種「高亮度、高準直性」的X射線，在美國通用電氣公司的電子同步加速器中被首次觀察到，因而得名「同步輻射」。
  • 揭示高密度單原子Pd基選擇加氫催化劑穩定機制—新聞—科學網
    中科院大連化物所等
  • 【大國重器】中科院重大科技基礎設施——X 射線自由電子雷射
    項目的科學目標是探索兩級外種子自由電子雷射級聯模式，以確定硬X射線自由電子雷射裝置發展的技術路線，解決並掌握關鍵技術，進行人才與技術儲備，為我國建設硬 X 射線自由電子雷射裝置作預先研究。項目的工程目標是建成由射頻電子直線加速器驅動的軟 X 射線自由電子雷射裝置，為升級為用戶裝置提供基礎。
  • 浙大《Acta Mater》:原子尺度揭示缺陷交互作用下的晶界遷移機制
    金屬材料變形過程中常見的晶粒長大和動態再結晶過程通常由晶界遷移主導，而晶界在遷移過程中不可避免地與晶粒內部的缺陷發生交互作用，改變晶界的可動性，進而顯著影響材料的變形行為和力學性能。
  • 太赫茲雷射使T射線成為可能:比X射線具有更高的解析度和更加安全
    江蘇雷射聯盟導讀：據《Science》報導，來自MIT，哈佛大學以及美國陸軍的研究人員通過一種特殊的紅外雷射氧化亞氮分子（俗稱笑氣），在一個新的尺寸只有鞋盒大小的雷射器可以產生太赫茲波（綠色曲線），笑氣儲存在一個只有鋼筆尺寸大小的腔體中（灰色）。這是一種比X射線解析度更高和更具安全性的一種檢測射線。
  • 熔體流動速率你了解嗎?
    熔體流動速度是熱塑性塑料在一定的溫度和負荷下，熔體每10分鐘通過標準口模的質量。用熔體流動測量儀測定熔體流動速度（MI）不存在廣泛的應力-應變速率關係，所以不能測定塑料的粘度和研究塑料熔體的流變性質，但用熔體流動速度可以比較同種聚合物分子量大小，能夠方便地表示其流動性能的高低，並且是選擇熱塑性塑料成型加工工藝條件的經驗性依據。