打破裂微小氣泡,金屬無孔隙3D列印

雷射粉末床融合(LPBF)是一種3D列印技術(也稱為增材製造)，它可以直接從數字模型中列印具有複雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統製造路線的設計限制，這有可能徹底改變生物醫學、航空航天和國防工業。然而，由LPBF印刷的零件通常比由常規方法製造的零件包含更多的孔這嚴重阻礙了它們的應用，因為氣孔是導致零件失效的最有害的缺陷之一。

許多機制可導致在印刷過程中在熔體池中形成孔(例如，來自原料粉末的孔轉移、印刷過程中凹陷區的不穩定性、揮發性元素的蒸發、氣體沉澱)。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，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 。因此，在印刷零件中普遍觀察到孔。通過後處理來完全消除印刷零件中的孔是非常具有挑戰性的。例如，熱等靜壓（HIP）無法關閉表面孔；HIP封閉的氣孔可以在隨後的熱處理過程中重新打開並生長。

因此，為了獲得具有非常低或零孔隙率的印刷部件，揭示在LPBF過程中熔體池中孔隙演化和消除的動力學和機理以及識別在印刷過程中消除孔隙的機理是至關重要的。然而，由於孔隙的小尺寸和高速度，以及金屬的不透明性質，原位和實時探測這些微孔的運動是非常具有挑戰性的。早期的研究，包括使用x光成像來可視化雷射熔池中的孔隙運動，取得了一些成功。但是由實驗室光源或中能同步加速器設備提供的解析度不足以捕捉這些微孔的一些快速運動。

在該研究中，研究人員們使用高速硬X射線成像技術，以高解析度（100ps的時間解析度和 2 m的空間解析度）揭示了LPBF過程中熔池中微孔的高動態和複雜運動。通過互補的多物理場建模，研究人員發現孔隙的移動行為受溫度梯度引起的熱毛細作用力和熔體流動引起的阻力的競爭支配。並且由雷射相互作用區域中的高溫梯度引起的高熱毛細管力可以克服由熔體流動引起的阻力，從而在LPBF過程中快速消除熔池中的孔。本文揭示的熱毛細作用力驅動的孔消除機制可用於設計3D列印方法，以實現金屬的無孔3D列印。

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。X射線原位成像實驗裝置包括粉末床系統（在兩個玻璃狀碳板之間夾在基板上的100 m粉末層），選擇性雷射熔化系統（掃描粉末床並創建熔池） ）和高速X射線成像系統（以捕獲LPBF過程的動態變化）。

圖1. LPBF過程中孔隙動力學的原位表徵

LPBF過程中熔池中孔隙運動和消除的動力學及其機理如下圖所示。孔的運動行為受溫度梯度引起的熱毛細作用力和熔體流動引起的拖曳力的競爭支配。當孔的尺寸變大時，浮力將發揮更重要的作用。然而，研究人員的估計表明，要使浮力在正常使用的LPBF條件下佔主導地位，孔的大小需要達到毫米，甚至大於LPBF工藝中典型熔池的大小。因此，在LPBF過程中用於消除孔的主要驅動力是熱毛細管力，而不是通常認為的浮力。

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

熱毛細管力驅動的孔消除可以作為在LPBF過程中消除孔的有效方法。這裡，提供兩個示例作為概念證明。首先，研究人員證明，在適當的雷射加工條件下，通過熱毛細作用力可以消除原料粉末中的孔，以實現無孔道，如下圖a-d所示。其次，研究人員證明通過使用適當的雷射掃描參數進行雷射再掃描，通過熱毛細作用力將消除先前形成的層中的孔，如下圖e–h所示。研究人員已經對AlSi10Mg和Ti6Al4V合金進行了實驗 。研究人員在兩種合金中均通過熱毛細作用力實現了孔消除，這表明由熱毛細作用力驅動的孔消除機制不限於特定的合金體系。

圖3. 使用熱毛細作用力消除毛孔

研究人員最終發現了一種通過將複雜的原位實驗和多物理模型協同結合來有效消除金屬3D印刷中的孔隙的機制。他們預計，此處揭示的熱毛細力驅動的孔隙消除機制可以為開發實現無孔隙3D列印的方法開闢道路，從而釋放3D列印技術的全部潛力。熱毛細力驅動的孔隙消除機制也適用於廣泛的研究和工程領域，在這些領域中，孔隙演化非常重要，並且存在溫度梯度，例如雷射拋光、雷射熔覆、焊接等。

該研究團隊自2015年以來一直在使用位於美國能源部（DOE）科學用戶辦公室位於阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）來研究快速成型製造工藝。APS能產生強烈的強光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。用APS的雷射和粉末設置，該研究團隊記錄了熔池中的孔隙的形成和隨後的移動，這些孔隙的寬度比人的頭髮還小。該團隊由前密蘇裡科技大學（Missouri University of Science and Technology）和威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的Liananyi Chen和前阿貢（Argonne）X射線科學部門（Argonne's X射線科學部門）、現維吉尼亞大學（University of Virginia）的Tao Sun領導。

圖4. 在APS處捕獲的X射線圖像顯示了增材製造過程中鋁的雷射熔化。在雷射的左側，您可以看到在加工過程中形成的細小孔，隨著時間的推移，這些細孔會在最終產品中產生缺陷。