金屬增材制造中小孔形成機(jī)理研究

來源：材料學(xué)網(wǎng)

在金屬增材制造過程中,，零件的孔隙率會降低機(jī)械性能，甚至阻礙金屬增材制造的進(jìn)一步應(yīng)用,。特別是目前與小孔波動相關(guān)的小孔的機(jī)制尚不完全清楚,。

為揭示小孔形成的機(jī)理，新加坡國立大學(xué)機(jī)械工程系閆文濤教授團(tuán)隊采用結(jié)合傳熱,、液體流動,、馬蘭戈尼效應(yīng)和達(dá)西定律的多物理熱流體流動模型來模擬小孔形成過程，并獲得了原位驗證結(jié)果,。仿真結(jié)果顯示了由于小孔不穩(wěn)定性和瞬間氣泡釘扎在凝固前沿的運(yùn)動而導(dǎo)致瞬間氣泡形成,。此外，比較不同激光掃描速度下的小孔形成表明,，小孔對制造參數(shù)很敏感,。此外，低環(huán)境壓力下的模擬表明提高小孔穩(wěn)定性以減少甚至避免小孔形成的可行性,。

相關(guān)研究以題“Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing”發(fā)表在Computational Materials ,。
www.nature.com/articles/s41524-022-00699-6

研究背景
金屬增材制造 (AM) 以其無需特殊工具就可制造出復(fù)雜形狀零件的能力而聞名。而且其能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,，并節(jié)省材料成本,。但是，金屬增材制造工件的孔隙率是一種缺陷,，它直接降低了極限強(qiáng)度,，它同時也是零件疲勞和斷裂強(qiáng)度的缺陷。這類缺陷的存在不符合行業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn),，因此阻礙了這些行業(yè)采用增材制造技術(shù),。為此，增材制造界及學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以了解增材制造過程中的孔隙形成機(jī)制并控制已建成零件的孔隙率。在各種孔隙缺陷中,，小孔模式熔化下的孔隙率是激光焊接中普遍存在的缺陷,，其引起了廣泛關(guān)注。

實驗表明小孔通常是球形的并且集中在熔池底部,。然而,，這些實驗并沒有直接觀察到小孔的形成，也不能對小孔的形成機(jī)制給出定量的解釋,。最近,，小孔動力學(xué)的原位 X 射線成像根據(jù)小孔的位置確定了三種類型：（i）小孔壁中間壁架的瞬時氣泡，在小孔波動期間迅速消失,，（ii）由于激光停止或轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致軌道末端的小孔,，以及（iii）由于小孔波動而熔化池底部的小孔。

第一種類型的氣泡在形成后幾乎立即被消除,，并且對于孔隙形成機(jī)理無關(guān)緊要,。軌道末端的毛孔不僅與小孔動力學(xué)有關(guān)，而且還由激光掃描路徑?jīng)Q定,，而這些孔隙通常通過輪廓掃描和后處理拋光來減少或消除,。因此，小孔波動是最顯著的,，這是本研究的重點,。L-PBF中粉末顆粒與激光的相互作用僅對小孔波動和小孔形成有影響。為了排除隨機(jī)堆積的粉末顆粒的影響,，目前的研究僅考慮裸板,。

小孔動力學(xué)的數(shù)值模擬是一種互補(bǔ)，節(jié)省成本和有效的方法來了解小孔孔隙的形成機(jī)制,。馬丁等人模擬了軌道末端的小孔,，并制定了減少這些孔隙的策略。林等人的模擬結(jié)果表明,，調(diào)整激光入射角可以減少激光焊接過程中小孔的數(shù)量,。巴亞特等人研究了小孔孔隙與輸入功率的關(guān)系，并利用實驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果,。唐等人的模擬結(jié)果表明,，熔池底部的球形孔隙是隨著增材制造期間能量密度的增加而形成的。譚等人的模擬顯示小孔孔徑隨著環(huán)境壓力的降低而減小,。

盡管原位實驗和之前的模擬已經(jīng)對小孔孔隙形成提供了經(jīng)驗觀察,，但小孔表面的反沖壓力分布、能量分布與小孔波動的關(guān)系,、小孔孔隙形成過程中的熔池流動等基本原理仍然存在且難以捉摸,。

研究團(tuán)隊采用多物理場熱流體流動模型,，傳熱、熔池流,、馬蘭戈尼效應(yīng)、金屬蒸發(fā)反沖壓力,、達(dá)西定律和激光光線追蹤等手段,，模擬了小孔波動和小孔形成過程。根據(jù)X射線成像結(jié)果驗證了瞬間氣泡形成和凝固前沿的模擬結(jié)果,，分析了激光掃描速度增加對小孔深度波動,、吸收能量分布、孔大小,、熔池流量和力的變化趨勢,，以解釋其機(jī)理和影響。此外,，還探索了通過模擬近真空環(huán)境壓力下的熔池流動來減少甚至消除小孔的方法,。

小孔孔隙形成過程有兩個不同的階段：（i）瞬間氣泡形成和（ii）在凝固前階段釘扎。瞬間氣泡的形成主要是由于小孔的不穩(wěn)定性（后小孔壁上的不平衡力）,。在凝固前沿的氣泡釘扎過程中,，瞬間氣泡下方的高流速會產(chǎn)生垂直阻力，阻礙氣泡上浮到熔池表面,。氣泡最終被凝固前沿捕獲,，形成小孔。

小孔表面不均勻分布的反沖壓力增加了小孔塌陷形成小孔的可能性,。此外,，來自糊狀區(qū)的阻力是相關(guān)的，因為它決定了熔池底部的小孔波動,。為了提高阻力和小孔波動計算的準(zhǔn)確性,，需要考慮AM中晶粒形態(tài)的達(dá)西阻力模型。

研究結(jié)果與討論

圖1為由于小孔不穩(wěn)定而導(dǎo)致的瞬間氣泡形成,。a–c 是小孔不穩(wěn)定性的 X 射線成像結(jié)果,。d–f、g–i 和 j–l 是仿真案例1中的速度,、反沖壓力和小孔表面溫度,。激光位置和掃描方向以a和d表示。系列 b 中的箭頭表示速度方向,。d 中的黑色虛線圓圈表示前小孔墻上的突出部分,。e中的黑色虛線圓圈顯示了新生的小孔。g中的紅色虛線表示激光位置,，并將小孔分隔為后部和前部部件,。b–l 中的白色實線是固體溫度 Ts的等值線,。在普通環(huán)境壓力下，Ti-6Al-4V的沸騰溫度為3315 K,，j-l表示小孔表面的沸騰區(qū)域,。

圖2為案例2中小孔孔隙形成過程中熔池中的速度場。黑色虛線圓圈在a是迷你小孔,。b-e中的氣泡b是小孔坍塌的瞬間氣泡,。a–e 中的白色實線是固體溫度 Ts的等值線。

圖3 小孔孔隙形成過程示意圖,。金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的反沖壓力（Prec）,、流體動壓（Pl）、表面張力壓力（Ps）和糊狀區(qū)阻力（FD）導(dǎo)致小孔不穩(wěn)定,，產(chǎn)生氣泡b1和b2,。由于伯努利原理，氣泡不會直接漂浮起來,，而是被凝固前沿捕獲,。

圖4顯示了下孔和孔隙特征。a–c 在掃描軌道中心平面的 t = 2000 μs 處,，案例 2 （525 mm.s−1）,、案例 3 （500 mm.s−1） 和案例 4 （475 mm.s−1） 中的小孔孔隙。d,、e 最大孔隙孔徑和平均小孔深度之間的模擬和實驗,。f 小孔深度隨時間波動。b1,、b2和b3分別是案例2-4中的最大孔隙,。b01在a中是模擬案例2中的第二大孔隙，用e表示,。外殼編號和激光掃描速度以d,，e一起顯示，以便更好地進(jìn)行比較,。e 中的誤差線是小孔深度的標(biāo)準(zhǔn)偏差,。

圖5為論文案例2-4中熔池的速度場。在案例 2 （a,， d）,、案例 3 （b， e） 和案例 4 （c,， f） 中,，熔池中的 a–c 速度大小和 d–f 流線在 t = 2000 μs 時。a–c 中的白色實心曲線和 d–f 中的灰色等值線是固體溫度 Ts的等值線,。

圖6 為論文案例2-4中小孔表面的能量吸收率,。a 整個小孔表面,，b前小孔壁和c后小孔壁。

圖7為在t=2000μs,，10-4atm環(huán)境壓力下熔池流動的模擬結(jié)果,。a 熔池中的溫度分布、b速度幅度分布和c流線,。a中的白色曲線是液相溫度Tl的等值線,，b中的白色曲線和c中的灰色等值線是固體溫度Ts的等值線。

圖8為不同環(huán)境壓力下小孔表面溫度和反沖壓力的比較,。a、b 溫度場高于沸騰溫度和c,、d在普通環(huán)境（案例3）和低環(huán)境壓力（案例5）下小孔表面的反沖壓力,。a、c 和 b,、d 分別是案例 3 和案例 5 的仿真結(jié)果,。a 和 b 中的白色曲線是固體溫度 Ts的等值線。

圖9顯示了案例3（1個大氣壓）和案例5（10−4大氣壓中的小孔深度和能量吸收率,。a 小孔深度,，b總能量吸收率，前小孔壁上的能量吸收率,，后小孔壁上的d能量吸收率,。

小孔孔徑對制造參數(shù)很敏感。隨著激光掃描速度的略微增加,，小孔孔徑顯著減小,，小孔形狀變?yōu)榍蛐危�水平分布在熔池底��,。此外,，小孔波動和能量吸收率變化的特征可以作為預(yù)測小孔形成可能性的標(biāo)準(zhǔn)。低環(huán)境壓力是減少甚至消除小孔形成的可行方法,。與普通環(huán)境壓力相比,，低環(huán)境下后小孔壁的反沖壓力更大，并保持了穩(wěn)定的小孔形狀,。