編輯推薦：激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業，但孔隙率問題仍然是它的致命弱點。本文針對這一問題進行了深入研究，發現了一種新的機制，理清了關于孔隙起源的一些問題。

當前，激光粉末床熔合是一種占主導地位的金屬3D打印技術。然而，孔隙缺陷仍然是制約其應用的一個重要挑戰。有些孔隙與深而窄的匙孔蒸汽凹陷有關，并通常發生在高功率、低掃描速度的激光熔化條件下。高速X射線成像，使得人們能夠觀察到小孔形成過程的細節，由此可知這些小孔是由小孔尖端的嚴重不穩定性引起的。為了解決這個問題，近日，來自清華大學的Cang Zhao& 美國卡內基梅隆大學的Anthony D. Rollett & 弗吉尼亞大學的Tao Sun等研究者，通過實驗，結果表明，小孔孔隙率在功率-速度空間的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉床之間變化不大。相關論文以題為“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”于2020年11月27日發表在Science上。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6520/1080

激光粉末床熔合(LPBF)是目前使用最廣泛的金屬增材制造工藝，正在顛覆改變著制造業。在典型的LPBF工藝中，在數字計算機輔助設計與制圖(CADD)模型的指導下，用高功率密度的激光掃描薄薄的粉末層，對金屬粉末進行局部熔化，并將其熔合到前一層。盡管LPBF在直接制造復雜幾何部件方面具有無與倫比的能力，但相關的孔隙率仍然是它的致命弱點，因為它會損害產品的性能，例如耐腐蝕和疲勞壽命。眾多的研究工作提高了對孔隙度的認識和控制。高速同步X射線成像顯示，在導致氣孔的各種機理中，小孔熔化方式由于其在激光焊接尤其是LPBF中的重要地位，近年來引起了廣泛的關注。

在匙孔式熔煉中，金屬快速蒸發產生的強大反沖壓力將周圍的熔體液體向下推，形成一個又深又窄的洞，稱為匙孔。在匙孔內，激光束經過多次反射，大大提高了激光的吸收，提高了能量效率。然而，在某些激光條件下，匙孔壁不斷波動和倒塌。這一過程通常歸因于熱毛細力、馬朗戈尼對流、反沖壓力和氣體等離子體的出現之間的復雜相互作用。這樣的鎖孔不穩定會產生孔洞，如果被凝固前沿困住，孔洞就會成為有害的結構缺陷。

功率-速度(P-V)映射，直接聯系產品質量(密度或孔隙率)與工藝參數(有時與掃描間距)，為LPBF用戶提供了一個有效的啟發式工具。在P-V圖的物理基礎中，一個缺失的部分是所謂的匙孔孔隙邊界，是否明確和可重復，而它將生產名義上完全致密的零件的加工條件與那些有氣孔的分離開來。

此外，在LPBF中，與激光熔化裸板相比，粉末的存在與更大的小孔波動和更大的孔隙形成有關。然而，對邊界和任何由粉末引起的位移缺乏量化。關鍵孔孔隙形成的相關時空尺度要求亞納秒時間分辨率、微米空間分辨率和兆赫幀率。這些正是同步加速器X射線成像的領域，使研究者能夠研究鎖眼孔的形成。

在此，研究者使用第三代高能光源operando高速X射線成像，通過定量勾勒出小孔孔隙邊界，完成了P-V圖中缺失的部分，闡明了粉末效應，揭示了小孔氣孔的根本起源及其在LPBF過程中的初始運動。該樣品是一個很薄的Ti-6Al-4V板(厚度約為400 μm)，在某些實驗中，頂部有一層粉末，夾在兩塊玻璃碳板之間。一束具有高斯分布的連續波模式的激光束以不同的功率(P)和速度(V)沿一條直線掃描樣品。同時，研究者在高幀率(50-5000 kHz)下記錄了高空間分辨率(2.0-3.0 μm/pixel)和時間分辨率(0.1-7500 ns)的全視野X射線圖像。

圖1 激光熔煉中的小孔氣孔、邊界及粉末的作用。

圖2 孔隙邊界上的匙孔縮放和波動。

圖3 匙孔不穩定引起的聲波驅動下的匙孔孔的形成和運動。

綜上所述，研究者通過operando高速同步X射線成像中，發現P-V空間中小孔孔隙率和穩定熔點之間的邊界出乎意料的光滑和尖銳，只隨著粉末的存在而略有變化。在接近這個孔隙邊界的地方，研究者發現了一種新的機制，這種機制導致了小的球狀孔隙的形成：激光-金屬高動態相互作用過程中產生的聲波，在使小孔附近的孔洞遠離小孔周圍的大熱梯度場，從而使小孔在凝固過程中被困住的過程中，發揮了關鍵作用。除此之外，在低功率水平，二級機制導致了孔隙捕獲作為一個波動匙孔塌縮和收縮；拖曳力也可以將孔從縮回的匙孔中拉出。

在更廣泛的尺度上，不僅明確定義的匙孔孔隙邊界的存在，為預測過程窗口提供了更安全的基礎，而且對邊界附近小孔隙是如何產生的，有了新認識，也理清了LPBF文獻中關于孔隙起源的一些混淆。