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清华大学《Science》:金属3D打印“孔洞“”缺陷形成机制获得重大突破
2020-11-30 16:04:14 来源: 作者: 【 】 浏览:410次 评论:0

导读:激光粉末床熔合是一种占主导地位的金属3D打印技术。然而,孔隙缺陷是一个重要挑战。有些孔隙与被称为钥匙孔的深而窄的蒸汽凹陷有关,这发生在高功率、低扫描速度的激光熔化条件下。研究发现Ti-6Al-4V小孔是由小孔尖端的严重不稳定性引起的,小孔孔隙率在功率-速度图的边界是尖锐而光滑的,在光板和粉床之间变化不大。钥匙孔不稳定性在熔池中产生声波,为钥匙孔尖端附近的气孔提供额外而重要的驱动力,使其远离钥匙孔并成为缺陷。


激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最广泛的金属添加剂制造工艺,正在彻底改变制造业。在典型的LPBF工艺中,在数字计算机辅助设计与制图(CADD)模型的指导下,用高功率密度的激光扫描薄薄的粉末层,对金属粉末进行局部熔化,并将其熔合到前一层。尽管LPBF具有无与伦比的直接制造具有复杂几何形状的零件的能力,但相关的孔隙率仍然是其致命弱点,因为这会损害产品的性能(例如,耐腐蚀性和疲劳寿命)。深入的研究工作促进了对孔隙度的理解和控制。高速同步x射线成像显示,在导致气孔的各种机制中,熔化的“钥匙孔”模式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要性,近年来引起了广泛的关注
金属快速蒸发产生的强大反冲压力将周围的熔体液体向下推,形成一个又深又窄的洞,称为“钥匙孔在钥匙孔内,激光束经过多次反射,大大提高了激光的吸收,提高了能量效率。但是,在某些激光条件下,钥匙孔壁会不断波动并坍塌。该过程通常归因于热毛细力、马朗戈尼对流、反冲压力和气体等离子体的出现。这种钥匙孔的不稳定性会产生孔,如果孔被凝固前沿捕获,则孔会成为构件中有害的结构缺陷。
功率-速度(P - V)图直接涉及产品的质量(密度或孔隙率)工艺参数。在P-V图的物理基础中,一个缺失的部分是所谓的“钥匙孔孔隙边界”,它将生产出名义上完全致密的零件的加工条件与那些有气孔的零件分离开来,这个边界是否明确并可重复使用。此外,与激光裸板熔化相比,在LPBF中,粉末的存在与较大的锁孔波动和较大的孔形成有关。然而,对边界和任何由粉末引起的位移缺乏量化。
清华大学机械工程系赵沧教授,卡内基梅隆大学Anthony D. Rollett和弗吉尼亚大学Tao Sun等人使用原位高速在第三代高能X射线成像光源完成这块丢失的P-V图。通过定量描述锁眼孔隙边界,阐明粉的效果,揭示锁眼孔的基本来源和他们在LPBF过程中的初始运动。观察到Ti-6Al-4V小孔形成过程的细节,这些小孔是由小孔尖端的严重不稳定性引起的。关键的锁孔不稳定性在熔体池中产生声波,为锁孔尖端附近的气孔提供额外而重要的驱动力,使其远离锁孔并成为缺陷。这一发现为锁孔形成的原因提供了新的认识。相关研究成果以题“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”于北京时间2020年11月27日在Science上发表。
在有或没有粉末存在的情况下,将钥匙孔孔隙度状态与稳定熔化状态区分开的锁孔孔隙度边界出乎意料的平滑和锋利(图1A)。越过边界朝着更高的能量密度,可识别的孔从钥匙孔底部释放到液体中(图1B)。在恒定的激光功率下,最大孔径都随着扫描速度的降低而上升。少数情况偏离了这种趋势,最可能是由于不同样品中粉末床厚度的变化以及相对于孔形成事件而言,X射线成像可用的时间窗口较短。


图1 锁孔孔隙率边界和粉末在激光熔化中的作用


图2 孔隙边界上的钥匙孔结垢和波动

图3钥匙孔不稳定引起的声波驱动钥匙孔形成和运动

综上所述,作者发现了一种新的机制,该机制揭示形成小且通常为球形的孔的原因:在高度动态的激光-金属相互作用过程中产生的声波在驱动键孔尖端附近的孔足够远离它们通过凝固而被困在锁孔周围的大的热梯度场。除了这种主要机制外,在低功率水平时,次级机制还会导致由于波动的锁孔塌陷和收缩而导致孔捕获。拖曳力也可能将孔隙拉离缩回的锁眼。在更广泛的范围内,定义明确的锁孔孔隙度边界的存在不仅为预测工艺窗口提供了更安全的基础,而且对边界附近产生小孔隙的新认识。

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