Nature！利用原位X射線成像和多物理場建模揭示DED孔隙演化機理

2024年2月28日，南極熊獲悉,，倫敦瑪麗女王大學,、倫敦大學學院 (UCL),、勞斯萊斯和國際研究人員展開合作,，在闡明定向能量沉積 (DED) 中孔隙形成機理方面做出了重大突破,。

這項研究近日以題為“Pore evolution mechanisms duringdirected energy deposition additive manufacturing”的論文被發(fā)表在《自然通訊》上，由Kai Zhang,、Chu Lun Alex Leung & Peter D.Lee等人聯(lián)合撰寫。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45913-9

定向能量沉積 (DED)是一種很有前景的逐層增材制造 (AM) 技術,，可為高附加值產(chǎn)品制造復雜的幾何形狀,。DED還應用于修復應用,，例如修復損壞的渦輪葉片。然而,，汽車,、船舶、航空航天和生物醫(yī)學領域應用的 DED 工藝的工業(yè)化受到工藝過程中引入的孔隙率的限制,，因為孔隙率可能不利于部件的最終機械性能,，尤其是疲勞壽命。

孔隙率是 DED 生產(chǎn)的部件的一個常見特征,，并且已在各種合金中觀察到,，包括鈦合金鎳基高溫合金和鋁合金。孔隙度主要包括氣體孔隙度和缺乏熔合特征,，按其形成機制分類,。氣體孔隙率可源于原料、保護氣體的截留,、以及在固體中比液態(tài)金屬更難溶解的氣體(例如氫氣)的放出,。由于能量輸入不足，可能會形成缺乏熔合孔隙的情況,。DED 中的孔隙率通常采用非原位觀察技術進行研究,，包括金相觀察和 X 射線計算機斷層掃描。然而,，這些技術無法捕捉到孔隙形成的現(xiàn)象,，也無法捕捉到它們生長和遷移的動態(tài)。為了開發(fā)具有最小孔隙率的高性能 DED 組件,，有必要利用原位觀察來清楚地了解孔隙演化和動力學機制,。

△DED 過程中的動態(tài)氣泡行為和機制

瑪麗女王大學工程與材料科學學院的 Chinnapat Panwisawas 博士強調了這項研究的重要性，并指出了解孔隙演化對于最大限度地發(fā)揮 DED 的潛力至關重要,。在這里,，研究人員利用原位 X 射線成像和多物理場建模揭示了 DED 過程中的孔隙演化機制，量化了導致孔隙形成,、遷移,、推動、生長,、去除和截留的五種機制：

（i）氣霧化粉末中的氣泡進入熔池,，然后循環(huán)或橫向遷移；

(ii) 小氣泡可以從池表面逸出,，或者合并成更大的氣泡,，或者被凝固前沿捕獲；

(iii) 在固/液界面的推動下,，較大的聚結氣泡可以在池中保留很長時間,；

(iv) 馬蘭戈尼表面剪切流克服浮力,，防止較大氣泡彈出；

(v) 一旦大氣泡達到臨界尺寸,，它們就會從池表面逸出或被困在 DED 軌道中,。

這些機制可以指導孔隙最小化策略的開發(fā)。

△DED 期間的孔隙形成機制,。（圖片來源：倫敦大學學院）

通過采用先進的原位 X 射線成像和多物理場建模,，該團隊闡明了 DED 期間熔池內(nèi)孔隙形成和運動的動力學。他們的研究結果為最大限度地減少孔隙率和增強DED 生產(chǎn)的部件的機械性能提供了寶貴的見解,。該研究為各個領域更安全,、更可靠和高質量的制造打開了大門。

正如 Panwisawas 博士所指出的那樣,，利用這些知識可以生產(chǎn)出更強大,、更安全、更可靠的組件,，從而推動增材制造進入新的可能性領域,。