清華大學機械系趙滄合作報導金屬3D列印中匙孔氣泡缺陷的起源

　　11月27日，清華大學機械工程系助理教授趙滄與卡內基梅隆大學和維吉尼亞大學的學者合作發布了關於金屬雷射3D列印的最新成果。該項研究起於宏觀工藝，立於微觀細節。宏觀層面上，在雷射功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩有關；後者可以在熔池中釋放出聲波（衝擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔、並被凝固前端捕捉。

關於匙孔氣泡區邊界和氣泡缺陷起源的藝術插圖。左側，在雷射功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡區邊界清晰而平滑。右側，在該邊界附近，匙孔根部的臨界失穩釋放出聲波（衝擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔。當氣泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插圖設計者：清華大學馮葉；版權所有者：清華大學趙滄）

　　雷射粉末床熔融成形是金屬3D列印中廣泛使用的一門技術。在一個典型的成形過程中，基於一個離散化的三維數字模型，高功率雷射快速掃過一層金屬粉末顆粒（厚度為幾十到一百微米），有選擇性地將粉末顆粒熔化和融合。因此，該技術在複雜幾何結構零部件的直接製造方面具有無與倫比的優勢。但是，氣泡總是如影如隨，損害零部件的抗腐蝕、抗疲勞性能，因此，往往在尖端應用領域（如航空發動機渦輪葉片）成為阿喀琉斯之踵。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？在雷射粉末床熔融成形中，「雷射功率-掃描速率」工藝圖譜將產品質量（如相對密度）與工藝參數（亦包括掃描間距）直接聯繫起來，便於3D印表機的用戶查詢和參考。然而，在該圖譜中，幾個關鍵部分仍然缺失，以至於無法準確確定列印工藝的優化窗口，其中一個就是匙孔氣泡缺陷區域的邊界。該邊界將劃分出穩定熔化區和匙孔氣泡區，而全緻密成形僅存在於前者。其二，金屬粉末顆粒的作用？一般認為，粉末顆粒的存在會產生更大的匙孔漲落和更多的氣泡。但是，該認識一直停留在定性的描述上，粉末顆粒的作用缺乏定量化的評價和分析。其三，匙孔氣泡缺陷的起源？目前的知識邊界：匙孔氣泡的產生與匙孔的孔壁失穩有關；匙孔的根部在多種力（比如馬蘭戈尼對流、反衝壓力等）的綜合作用下被掐掉，如果被凝固前端釘扎，便成了一種微觀缺陷。該理解相對寬泛而缺乏細節，有必要深究，特別需要關注匙孔氣泡區邊界附近氣泡的形成和最初的運動。

　　關於匙孔氣泡缺陷的起源，該研究結果揭示了兩種機理。第一種與聲波（衝擊波）有關，廣泛存在於整個匙孔氣泡缺陷區域的邊界附近。如圖1所示，匙孔根部的臨界失穩釋放出聲波（衝擊波），驅動氣泡快速遠離匙孔。此外，在匙孔氣泡區邊界的低端共存著第二種機理。匙孔劇烈漲落（特別是回縮，在粉末顆粒存在的情況下尤甚），為氣泡創造出足夠的時間以等待凝固前端的捕捉。在等待的過程中，氣泡可能被局域的熔體流動產生的拖拽力加速並遠離匙孔。這項工作為未來無氣泡全緻密金屬雷射3D列印提供了理論支撐和技術支持。

　　該研究工作以「雷射加熱中匙孔根部的臨界失穩產生氣泡缺陷」（Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting）為題發表在《科學》（Science）。論文獨立第一作者為清華大學機械工程系和先進成形製造教育部重點實驗室的趙滄。論文共同通訊作者為清華大學的趙滄、卡內基梅隆大學的Anthony Rollett和維吉尼亞大學的Tao Sun。論文合作者還包括阿貢國家實驗室和猶他大學的研究人員。該項工作得到了機械工程系都東教授團隊的支持和清華大學人才引進經費的資助。

　　趙滄，清華大學助理教授、博士生導師，機械工程系都東教授團隊成員。主要研究方向為金屬增材製造關鍵機理的探索，完成了美國先進光子源金屬增材製造同步輻射在線監測平臺的設計和研製，並深入研究了匙孔演化、液滴飛濺、匙孔氣泡等基礎問題。此前，嚴格定義了雷射加熱的三種模式，指出了增材製造中匙孔的廣泛存在性，並且發現了一種新的快速飛濺機理。在本項研究中，又確立了匙孔氣泡缺陷區域的邊界，發現了一種新的氣泡缺陷起源機理，代表性論文發表在《科學》（Science）和《物理評論X》（Physical Review X）上。