英國倫敦大學學院、英國國家科研與創(chuàng)新-哈韋爾研究中心、加拿大女王大學、格林尼治大學、美國阿貢同步輻射光源實驗室、上海交通大學金屬復合材料國家重點實驗室、中國上海交通大學材料科學與工程學院的科研人員綜述報道了3D打印領(lǐng)域取得重大突破：磁場顯著減少孔隙缺陷研究進展。相關(guān)論文以“Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing”為題發(fā)表在《Science》上。
基于激光金屬增材制造是一個復雜過程，該過程常常會因所謂的鎖孔不穩(wěn)定性而產(chǎn)生孔隙。研究人員試圖通過高速X射線成像技術(shù)來探究磁場是如何影響這種孔隙的形成過程。他們發(fā)現(xiàn)，由熱電效應驅(qū)動的流動，根據(jù)磁場方向的不同，既可以改善也可能惡化鎖孔的形成情況。這些觀察結(jié)果揭示了一種調(diào)節(jié)孔隙形成的方法，這對于控制合金的機械性能至關(guān)重要。
激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）過程中的鎖孔不穩(wěn)定性會導致鎖孔塌陷和孔隙形成。科研人員利用高速X射線成像技術(shù)證明，鎖孔后壁上由渦流引起的凸起是引發(fā)鎖孔不穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。施加橫向磁場可以通過驅(qū)動二次熱電磁流體動力學（TEMHD）流動來抑制鎖孔不穩(wěn)定性，這種流動會改變凈渦流分布。這能將凸起和鎖孔的大幅度振蕩降至最低。抑制效果取決于激光掃描方向與磁場方向的相對關(guān)系，因為這控制著由塞貝克效應引起的洛倫茲力的方向。研究表明，在激光粉末床熔融的長度尺度下，電磁阻尼較弱，對于具有大塞貝克系數(shù)的合金，TEMHD成為控制鎖孔后方流動的主要機制。
激光焊接與增材制造過程中鎖孔不穩(wěn)定性的磁調(diào)制—利用磁場減輕鎖孔孔隙
利用先進光子源（APS）的32lD光束線處，通過高速同步加速器X射線成像技術(shù)，捕捉到了AlSi10Mg合金在激光熔化過程中鎖孔塌陷的現(xiàn)象。本研究中使用的裸基板（尺寸為50毫米×10毫米，厚度0.8至1.1毫米）是AlSi10Mg合金。圖1展示了用于施加磁場的X射線成像系統(tǒng)設(shè)置（圖1A），以及獲取的具有高空間分辨率（2μm）和高時間分辨率（140 kHz）的射線照片示例（圖1B）。在進行零磁場實驗時，移除了兩個環(huán)形磁鐵。當激光掃描方向是從右向左時，記為RL；施加磁場時記為RL-B；當掃描方向是從左向右時，記為LR；施加磁場時記為LR-B。結(jié)果表明，在RL-B掃描中施加約0.5T的橫向磁場時，鎖孔孔隙的總面積大幅減少了81%（圖1C）。
配備兩個環(huán)形磁鐵的X射線成像系統(tǒng)，用于在激光熔化位置提供靜磁場
有磁場和無磁場時鎖孔形態(tài)的對比
有磁場和無磁場時的熔池流動情況
鎖孔振蕩的量化分析
磁場作用下且激光掃描方向反向時，AlSi7Mg合金的鎖孔動力學過程和孔隙形成情況
通過在激光束的參考系中進行高速同步加速器X射線成像，證明了由熔池流動驅(qū)動的鎖孔后壁上凸起的形成會引發(fā)不穩(wěn)定性，進而導致鎖孔塌陷。在對高硅鋁合金（如AlSi10Mg）進行激光熔化時，在從右向左掃描（RL-B）的過程中施加0.5±0.1T的磁場，使鎖孔孔隙率降低了81%。這種降低源于磁場因塞貝克效應改變了熔池流動，從而抑制了鎖孔后壁上凸起的形成，而這種凸起是導致鎖孔大幅振蕩的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，由塞貝克效應引起的洛倫茲力的方向取決于激光掃描方向與磁場方向的相對關(guān)系；因此，對凸起的抑制僅在RL-B掃描條件下有效——在RL-B掃描中，鎖孔底部得以最小化，而在LR-B掃描中則會增強。研究的無量綱分析表明，在低磁場條件（<1T）下的激光粉末床熔融（LPBF）過程中，利用電磁阻尼（EMD）來穩(wěn)定鎖孔振蕩是不可行的，但增加塞貝克功率（例如，通過增加硅含量）可以激活熱電（TE）力，從而形成一種可行的穩(wěn)定機制。這項工作解決了長期以來關(guān)于靜磁場對熔池動力學影響的相互矛盾的理論問題，表明在激光粉末床熔融中，由于其尺度比焊接中的尺度小得多，熱電（TE）力主要控制著熔池流動，穩(wěn)定了鎖孔并防止了孔隙的產(chǎn)生。研究通過力的無量綱比值來總結(jié)科研人員的觀察結(jié)果，指導在一系列增材制造（AM）和焊接工藝中應用磁控技術(shù)，這些工藝包括加工參數(shù)的變化以及預計塞貝克效應較大的材料，如功能梯度材料、雙金屬材料、復合材料、雙相材料和其他材料。
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(審核編輯: 光光)
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