Science頂刊：原位激光金屬3D打印機(jī)，助力同步輻射技術(shù)研究匙孔取得突破

南極熊導(dǎo)讀：原位激光金屬3D打印設(shè)備在同步輻射技術(shù)研究匙孔中大放異彩，不斷助力科學(xué)家取得突破。

2025年第二篇增材制造相關(guān)Science頂刊論文，再次聚焦同步輻射技術(shù)研究匙孔

在增材制造技術(shù)研究中，匙孔效應(yīng)的形成機(jī)理與演化規(guī)律一直是制約工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的關(guān)鍵科學(xué)問題。2025年2月英美加中四個(gè)國家科研單位使用高速同步輻射X射線成像技術(shù)合作完成的“激光焊接與增材制造過程中匙孔不穩(wěn)定性的磁調(diào)控”的文章發(fā)表在Science雜志上，由倫敦大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院材料、結(jié)構(gòu)與制造研究組(MSMaH)主導(dǎo)。倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和哈韋爾研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范賢強(qiáng))博士為第一作者。
該研究發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)觀察到特定磁場(chǎng)下匙孔穩(wěn)定性極大提高，孔洞面積減少80%；提出新方法定量化匙孔震蕩并給出了深入的機(jī)理解釋；通過無量綱分析給出了加工參數(shù)選取以及材料設(shè)計(jì)方面的指導(dǎo)。

孔洞的產(chǎn)生源于一種稱為“匙孔不穩(wěn)定性”的過程。打印中使用的激光功率可超過200 W，聚焦到約50微米大小的光斑，照射在粉末表面。強(qiáng)烈的加熱導(dǎo)致局部沸騰，形成金屬蒸汽，蒸汽向下推入粉末中，形成一個(gè)凹陷區(qū)域，稱為“匙孔”。匙孔并不穩(wěn)定，它以快于1毫秒的速度振蕩。同時(shí)激光掃描過程會(huì)導(dǎo)致巨大的溫度梯度，范圍從金屬合金的熔化溫度到蒸發(fā)溫度（鋁合金約為3000°C）。液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，以最小化自由能，該流動(dòng)通常稱為馬蘭戈尼流動(dòng)。匙孔后壁上的流動(dòng)使其比前壁更容易受到波動(dòng)和坍塌的影響。當(dāng)激光以大約1米/秒的速度掃描粉末床時(shí)，強(qiáng)烈的熔體流動(dòng)會(huì)使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能會(huì)斷裂并形成氣泡，最終成為零件中的孔隙。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果磁場(chǎng)的方向與激光移動(dòng)的方向垂直，熔池中引入的洛倫茲力足以改變流動(dòng)，從而抑制匙孔振蕩，鎖孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不會(huì)斷裂形成孔隙。正確施加磁場(chǎng)后，孔隙面積減少了80%以上，且剩余的孔隙更小。

△圖 1 施加磁場(chǎng)前后匙孔形貌對(duì)比以及孔洞缺陷情況對(duì)比

然而，施加磁場(chǎng)會(huì)同時(shí)激活電磁阻尼（EMD）和熱電洛倫茲力，后者驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)稱為熱電磁流體（TEMHD）。這項(xiàng)研究解決了一個(gè)長期存在的爭議，即哪種機(jī)制（EMD或TEMHD）負(fù)責(zé)穩(wěn)定匙孔，由于增材制造過程的微小熔池尺度，研究證明TEMHD效應(yīng)起了主導(dǎo)作用。為了觀察這一過程，研究人員使用了APS的32-ID光束線，這是唯一能夠提供足夠通量以滿足所需成像速率的X射線源。為了捕捉發(fā)生在1毫秒內(nèi)的匙孔振蕩，必須以每秒超過10萬幀的速度獲取圖像。團(tuán)隊(duì)在光束線上改裝了一臺(tái)定制的3D打印機(jī)，設(shè)置了一個(gè)可以在激光下快速移動(dòng)的樣品床，并填充了AlSi10Mg粉末，這是一種由鋁、硅和鎂組成的輕質(zhì)合金，其中高硅含量為系統(tǒng)增加了類似半導(dǎo)體的特性。研究人員開發(fā)了一系列的圖像處理方法，提出了基于圖像處理的定量化匙孔震蕩的新方法。

△圖 2（A-C）匙孔震蕩定量化方法和結(jié)果，（D，E）不同掃描方向條件下熔池內(nèi)部流動(dòng)的可視化結(jié)果對(duì)比，兩者均為施加相同磁場(chǎng)情況。

資料來源：Science+1 |磁場(chǎng)顯著減少3D打印隙缺缺陷，特種材料研究所參與研究 - 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

云耀深維光源系列設(shè)備
為實(shí)現(xiàn)高速同步輻射技術(shù)對(duì)增材制造過程中匙孔動(dòng)態(tài)行為的原位觀測(cè)，國內(nèi)外學(xué)者與研究團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)專用的3D打印實(shí)驗(yàn)裝置。這類設(shè)備需要滿足以下核心要求：（1）與同步輻射光源兼容的開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）耐高溫觀測(cè)窗口與精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；（3）毫秒級(jí)時(shí)間分辨率與微米級(jí)空間分辨率的協(xié)同實(shí)現(xiàn)；（4）多物理場(chǎng)（溫度場(chǎng)/流場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)）同步監(jiān)測(cè)能力；（5）完成透射、衍射等不同角度的觀測(cè)需求。

針對(duì)以上高速同步輻射X射線成像增材制造相關(guān)研究的特殊需求，云耀深維整合跨學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成功開發(fā)出第二代同步輻射兼容型金屬增材制造原位觀測(cè)設(shè)備（型號(hào)：PHOTON-40），該設(shè)備主要優(yōu)勢(shì)：

完整SLM系統(tǒng)，原位研究定制

• 同步輻射下實(shí)現(xiàn)打印真實(shí)過程（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風(fēng)場(chǎng)、Z軸運(yùn)動(dòng)裝置等）
• 透射、衍射需求靈活滿足-可傾斜打印，適配多種角度
• 超高溫預(yù)熱-500/700度高溫可選
• 深度開放參數(shù)-打印過程實(shí)時(shí)調(diào)整
• 一機(jī)多用：可隨時(shí)更換為常規(guī)打印系統(tǒng)；
  

云耀深維自主研發(fā)的光源40設(shè)備為同步輻射原位研究定制，配置完整的全套SLM系統(tǒng)（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風(fēng)場(chǎng)、Z軸運(yùn)動(dòng)裝置、500/700度高溫預(yù)熱等），完成上百層至數(shù)千層的真實(shí)鋪粉及打印，助力研發(fā)人員在真實(shí)的金屬打印過程中完成更精確的數(shù)據(jù)收集。同時(shí)光源系列更配置了靈活的高度調(diào)節(jié)及角度旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，還可以傾斜打印，可以同時(shí)滿足透射及衍射實(shí)驗(yàn)的需求。助力科研團(tuán)隊(duì)使用同步輻射原位技術(shù)探索增材制造微尺度形性演變機(jī)理，監(jiān)測(cè)打印過程中的熔池及晶體結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)原位表征與分析。

不僅如此，光源系列更配置了獨(dú)立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，客戶可一機(jī)多用，隨時(shí)更換為常規(guī)打印腔室，滿足各種力學(xué)性能試樣及小型部件的打印需求。為更好地滿足研發(fā)需求，該系列還配置了開放的工藝參數(shù)系統(tǒng)，使用戶可自由選擇及調(diào)節(jié)激光的路徑規(guī)劃，打印策略，掃描參數(shù)等工藝參數(shù)。用戶可自行建立cli文件，自定義輪廓與不同類別填充的掃描參數(shù)及路徑策略，自由設(shè)置出光延時(shí)，掃描延時(shí)，增旋轉(zhuǎn)角度，隨機(jī)掃描策略等。

交付報(bào)告
云耀深維為客戶在上海同步輻射光源（SSRF）站點(diǎn)原位研究定制的光源40設(shè)備順利交付。該光源型號(hào)配備了完整的全套SLM系統(tǒng)的同時(shí)更配置了獨(dú)立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，其優(yōu)異的設(shè)計(jì)及卓越的性能得到了客戶的高度肯定。

原位其他相關(guān)研究
2020年11月27日，清華大學(xué)機(jī)械工程系助理教授趙滄作為獨(dú)立第一作者和共同通訊作者在Science（《科學(xué)》）上以“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”（激光加熱中匙孔根部的臨界失穩(wěn)產(chǎn)生氣泡缺陷）為題發(fā)表了關(guān)于金屬激光3D打印的最新成果。該項(xiàng)研究起于宏觀工藝，立于微觀細(xì)節(jié)。宏觀層面上，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩(wěn)有關(guān)；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔、并被凝固前端捕捉。

圖3. 關(guān)于匙孔氣泡區(qū)邊界和氣泡缺陷起源的藝術(shù)插圖。左側(cè)，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡區(qū)邊界清晰而平滑。右側(cè)，在該邊界附近，匙孔根部的臨界失穩(wěn)釋放出聲波（沖擊波），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣泡快速遠(yuǎn)離匙孔。當(dāng)氣泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插圖設(shè)計(jì)者：清華大學(xué)馮葉；版權(quán)所有者：清華大學(xué)趙滄）

△圖4. 匙孔氣泡與微流噴射。匙孔前后壁的碰撞產(chǎn)生氣泡和微流噴射。微流噴射隨后促進(jìn)氣泡形貌的演化。在這個(gè)過程中，氣泡懸浮于熔池中，幾乎靜止。（經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自C Zhao et al., SCIENCE, Nov 27 2020）

資料來源：機(jī)械工程系助理教授趙滄及其合作者在《科學(xué)》發(fā)表論文揭示金屬3D打印中匙孔氣泡缺陷的起源-清華大學(xué)機(jī)械工程系