文章导读

近期，英美加中四个国家科研单位合作完成的一项工作发表在Science杂志上，伦敦大学学院机械工程学院材料、结构与制造研究组（MSMaH）主导。伦敦大学学院（UCL）和哈韦尔研究中心（Research Complex at Harwell）的Xianqiang Fan（范贤强）博士为论文的第一作者，伦敦大学学院（UCL）和哈韦尔研究中心的Peter Lee院士、Chu Lun Alex Leung副教授、Xianqiang Fan博士，格林尼治大学的Andrew Kao副教授为论文的共同通讯作者。上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所王洪泽副教授参与了该工作。

研究背景

增材制造，也被称为3D打印，使工程师能够构建具有复杂设计和精细细节的机械零件，这些在其他工艺中难以实现。然而，为了在汽车和航空工业中进一步采用该技术，仍需克服一些关键挑战，因为在3D打印过程中，高度聚焦的激光束快速扫描金属粉末床以熔化粉末，但往往会留下削弱材料强度的孔隙。研究人员利用阿贡国家实验室的先进光子源（APS），识别了新的孔隙形成机制，并证明施加适当的磁场可以显著减少孔隙问题。

图 1（A）APS同步辐射光源32-ID线站上搭建的粉末床增材制造设备，（B）获得的图像数据清晰显示了匙孔和熔池的固液界面，（C）施加磁场前后孔洞对比。

研究进展

最新进展主要分为：实验观察到特定磁场下匙孔稳定性极大提高，孔洞面积减少80%；提出新方法定量化匙孔震荡并给出了深入的机理解释；通过无量纲分析给出了加工参数选取以及材料设计方面的指导。

孔洞的产生源于一种称为“匙孔不稳定性”的过程。打印中使用的激光功率可超过200 W，聚焦到约50微米大小的光斑，照射在粉末表面。强烈的加热导致局部沸腾，形成金属蒸汽，蒸汽向下推入粉末中，形成一个凹陷区域，称为“匙孔”。匙孔并不稳定，它以快于1毫秒的速度振荡。同时激光扫描过程会导致巨大的温度梯度，范围从金属合金的熔化温度到蒸发温度（铝合金约为3000°C）。液体从低表面张力区域流向高表面张力区域，以最小化自由能，该流动通常称为马兰戈尼流动。匙孔后壁上的流动使其比前壁更容易受到波动和坍塌的影响。当激光以大约1米/秒的速度扫描粉末床时，强烈的熔体流动会使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能会断裂并形成气泡，最终成为零件中的孔隙。研究团队发现，如果磁场的方向与激光移动的方向垂直，熔池中引入的洛伦兹力足以改变流动，从而抑制匙孔振荡，锁孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不会断裂形成孔隙。正确施加磁场后，孔隙面积减少了80%以上，且剩余的孔隙更小。

图 2施加磁场前后匙孔形貌对比以及孔洞缺陷情况对比

然而，施加磁场会同时激活电磁阻尼（EMD）和热电洛伦兹力，后者驱动的流动称为热电磁流体（TEMHD）。这项研究解决了一个长期存在的争议，即哪种机制（EMD或TEMHD）负责稳定匙孔，由于增材制造过程的微小熔池尺度，研究证明TEMHD效应起了主导作用。为了观察这一过程，研究人员使用了APS的32-ID光束线，这是唯一能够提供足够通量以满足所需成像速率的X射线源。为了捕捉发生在1毫秒内的匙孔振荡，必须以每秒超过10万帧的速度获取图像。团队在光束线上改装了一台定制的3D打印机，设置了一个可以在激光下快速移动的样品床，并填充了AlSi10Mg粉末，这是一种由铝、硅和镁组成的轻质合金，其中高硅含量为系统增加了类似半导体的特性。研究人员开发了一系列的图像处理方法，提出了基于图像处理的定量化匙孔震荡的新方法。

图 3（A-C）匙孔震荡定量化方法和结果，（D，E）不同扫描方向条件下熔池内部流动的可视化结果对比，两者均为施加相同磁场情况。

在传统的磁流体动力学（MHD）中，电磁阻尼（EMD）通常被认为是主要的制动力。在本研究中，通过计算哈特曼数，（定义为电磁阻尼（EMD）与粘性力比值的平方根）以及热电磁力与电磁阻尼的比值，（如果该比值远大于1，则热电磁力是主要的制动力），结合磁场作用下不同扫描方向的流动特征，可以确定哪种机制是主导因素。计算结果，表明热电磁流体对于稳定匙孔起主导作用而非电磁阻尼。这些无量纲比值包括了材料物性参数和熔池尺寸信息（加工参数决定），为进行下一步的材料设计和加工窗口优化提供了关键指导。

近年来，特种材料研究所王洪泽副教授在国家重点研发计划国际合作项目、欧盟玛丽居里学者基金、上海交通大学国际合作项目等经费的支持下，和英国、美国、加拿大、西班牙等国家的研究机构围绕增材制造方向建立了紧密合作，基于同步辐射光源等大科学装置解析工艺机理，共同推动增材制造技术走向批量应用。

文稿编辑：王洪泽、范贤强