江蘇雷射聯盟導讀：
由維吉尼亞大學材料科學與工程學副教授Tao Sun領導的國際研究小組取得了兩項發現，它們可以擴大航空航天和其他依賴強金屬零件的行業的增材製造。
根據製造技術協會的報告，增材製造多年來為飛機生產做出了貢獻。但是，增材製造還會在最終零件的微觀結構中產生缺陷，從而限制了其在管道系統、內部零件和其他非關鍵零件的製造中的作用。安全監管零件的增材製造將幫助航空業實現其對高效，穩定的供應鏈管理以及輕型飛機隨附的燃油節省和減排的期望。
雷射表面圖形化處理技術可以實現對飛機機翼的有效驅冰
Tao Sun和他的研究團隊使用超高速同步X射線影像技術來對採用靜止雷射照射和移動掃描模式下的可視化Ti6Al4V鈦合金的熔化和蒸汽壓差(匙孔效應)的發展演化情況進行了觀察分析。這一團隊及其他研究者在早先的報導中公開過基於AM的同步Ｘ射線實驗結果。如硬X射線具有高度的空間解析度（２微米）和時間解析度（５０到４００ＫＨｚ），這是美國阿貢實驗室先進聲子中心在目前的先進水平。
該研究團隊專注於增材製造過程的兩個最重要條件，即雷射功率和掃描速度。功率-速度過程圖中捕獲了這兩個條件的設置和交互方式。與常規圖類似，功率-速度地圖在要工作的區域和要避開的區域之間設置邊界線。功率-速度圖可以分為好區域和三個壞區域。如果製造商留在良好的區域，則該零件很可能會始終如一地生產出高質量的零件。兩個壞區很容易識別。一種是缺乏熔合的現象，這是由於雷射功率密度不足而導致的未熔融粉末所證明的。當單條列印線在其自身上滾動時，第二個壞區以滾珠表示，這表明雷射運動太快。
Sun和團隊專注於第四區。在該區域中，零件從製造過程中出來時會帶有微小的孔，這種結構缺陷稱為孔隙。這些微小的孔出現在材料內部，使其難以看到和控制。Sun表示可以列印多條測試線，而通過檢查零件表面是否仍然有氣孔仍然不知道。
孔隙缺陷對於疲勞敏感型應用（如飛機機翼）仍然是一個挑戰。在高功率，低掃描速度的雷射熔化條件下，一些孔隙與稱為鎖孔的深而窄的蒸汽凹陷有關。
Sun和他的團隊發現了孔隙是如何發生的，並能夠在3D列印過程中以很高的時空解析度表徵材料的轉變。他們使用了一種稱為高速同步加速器X射線成像的成像技術，該技術可以在整個雷射列印過程中逐幀監視孔的形成。以微秒的間隔捕獲圖像，遠遠超出人眼可以捕獲或人腦可以處理的範圍。
超高速同步X射線影像來定量研究在粉末床增材製造金屬的過程中雷射熔化金屬時氣體壓差（又叫匙孔效應或小孔效應）。儘管從焊接和熔化的橫截面的事後檢查中可以對匙孔效應進行觀察分析，但直接使用高能X射線影像技術對匙孔效應的形貌和動力學觀察,卻可以窺見不一樣的世界：1,匙孔存在於粉末床3D列印時雷射功率和掃描速度所組合的區間內;2雷射功率密度變化時存在一個從熱傳導到匙孔效應焊接時嚴格定義的門檻值;3這一過渡允許蒸發,液相表面的壓差,不穩定和深的匙孔效應的形成。
鎖眼的形成和大小取決於雷射功率和材料吸收雷射能量的能力。如果鎖孔壁是穩定的，它將增強周圍材料的雷射吸收並提高雷射製造效率。但是，如果壁晃動或倒塌，則材料會在鎖孔周圍凝固，從而將氣袋捕集到新形成的材料層中。這使材料更脆，在環境壓力下更容易破裂。
Sun將好區域與壞孔隙區域之間的邊界描述為平滑且清晰。在非常狹窄的雷射條件下，功率和速度的特定組合將一個好的零件和一個帶有毛孔的零件分開。只需跨過好區和壞區之間的界限，就可以確定您的零件是否帶有這種結構缺陷。基於如此光滑而尖銳的邊界的物理原理，Sun知道一個子過程正在起作用。
金屬3D列印是一類可以自CAD數字模型直接製造出複雜的３D形狀的先進位造技術。其中粉末床3D列印技術是一種常見的３D列印技術，使用高能雷射掃描來選擇性的熔化預鋪設的粉末形成CAD預設的三維實體。高的能量密度和低的掃描速度會導致形成的熔池形狀為窄且呈半圓形的形狀（稱之為熱傳導模式）向深且窄的形狀（匙孔效應）過渡。３D列印中的匙孔效應，眾所周知，同氣孔的形成密切相關。形成的大的氣孔後由於氣孔會成為裂紋的萌生源而影響到材料的疲勞壽命。匙孔效應是一種氣體填充的壓差，在焊接中可謂眾所周知，同時匙孔效應還同液相金屬中的氣化密切相關。
理解金屬列印的工藝窗口的邊界條件對重複製造無缺陷的部件是至關重要的。我們直接觀察和識別了在採用靜止雷射進行實驗時的狀況以及蒸汽壓差隨工藝參數變化時熔池形貌的變化。雷射增材製造時和雷射焊接時兩個主要的參數為雷射功率和及該動態雷射掃描速度，即P-V空間關係圖.。同靜止雷射實驗不同，靜止空間圖所不同的是,，幾乎所有功率和速度的組合，儘管在傳統的雷射實驗時，在不同的雷射功率時幾乎呈現出相似的行為。同日常所觀察到的P-V圖所不同的是，幾乎所有的功率和速度的組合，儘管在傳統的匙孔區域顯示出深且窄的蒸汽壓差，此時才定義為匙孔和此時在較粗糙的尺度下呈現出深的穿透焊接深度。
該團隊最終發現，雷射與金屬的相互作用會產生聲波。Sun解釋說，聲波可以以不同方式與液體中的氣泡相互作用。在聲力的作用下，氣泡可以移動，變形，分裂甚至崩潰。在這項研究中，研究小組發現，在接近孔隙區域邊界的雷射條件下，聲力在將孔隙推離鎖孔尖端方面起著至關重要的作用。在熔池中不產生聲波的情況下，孔隙將被拉回到鎖孔中。
短脈衝雷射器被認為是在液體中產生聲波的來源，但我們在使用連續波雷射器時觀察到了聲效應。顯然，仍有許多有趣的問題需要進一步研究。
該國際研究團隊的成果以"Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting"一文11月27日發表在Science雜誌上。趙蒼曾在美國阿貢國家實驗室的Sun研究小組中擔任博士後，現在是北京清華大學機械工程系的教員，他是與卡內基梅隆大學大學、德克薩斯大學阿靈頓分校和維吉尼亞大學的同事共同撰寫的論文 。第二作者Niranjan D. Parab也是阿貢國家實驗室Sun的博士後之一，他此後加入了Intel。
Sun在UVA的研究團隊將繼續應用最先進的表徵技術，對增材製造工藝和材料進行深入研究。增材製造技術有望徹底改變我們的製造方式。