對(duì)于粉末床激光熔融工藝（LPBF）來說，粉末逐層擴(kuò)散和熔化的基本思想是簡單的，該過程涉及一系列高動(dòng)力耦合物理現(xiàn)象，包括粉體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、物理學(xué)等。流體動(dòng)力學(xué)、相變、熱應(yīng)力和變形，導(dǎo)致極其復(fù)雜的過程-結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系。粉末擴(kuò)散過程實(shí)質(zhì)上是許多粉末顆粒與刮刀和基板(或已打印部分)之間的相互作用，而惰性氣體流量也可能會(huì)有影響。這里的驅(qū)動(dòng)力主要包括重力、碰撞、正常接觸力、滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦，同時(shí)還有像范德華力一樣的附著力以及靜電排斥力，粉末床的質(zhì)量會(huì)影響隨后的熔化過程。在激光熔化過程中，激光束在粉末和熔池表面之間反射，向材料中傳遞能量。根據(jù)熔池的形狀和尺寸，一般熔化模式分為傳導(dǎo)模式和鎖孔模式。傳導(dǎo)模式是在相對(duì)較低的激光功率強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生一個(gè)半圓形的熔池。相比之下，使用相對(duì)較高的激光功率，會(huì)引起強(qiáng)烈的金屬蒸發(fā)，并在熔池中形成一個(gè)較深、細(xì)長的腔，就出現(xiàn)了鎖孔模式。此外，在這兩種模式之間還存在一種過渡模式。

高能量強(qiáng)度引起包括對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射在內(nèi)的高瞬態(tài)熱傳遞；按照誘導(dǎo)非平衡相變，包括熔化、凝固、蒸發(fā)和凝結(jié)，使熔化的液體和蒸氣與周圍的氣體和粉末顆粒更加復(fù)雜。當(dāng)粉末動(dòng)力學(xué)改變了原粉末床的結(jié)構(gòu)，而阻力等驅(qū)動(dòng)力與粉體擴(kuò)散時(shí)的驅(qū)動(dòng)力大不相同；另外，由于蒸發(fā)、擴(kuò)散、對(duì)流和化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)成分也會(huì)發(fā)生變化，如氧化作用反過來影響多相流行為。多相流動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致許多缺陷，如孔隙和包體。這些極端的熱條件，不斷變化的邊界和成分條件顯著影響了組織的演化，如從晶粒成核、生長到粗化，這些本身基本上是長期存在的科學(xué)問題，特別是對(duì)含有3個(gè)以上成分的合金而言。獨(dú)特的自建微結(jié)構(gòu)通常遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的準(zhǔn)平衡相圖。糊狀帶中的樹突生長反過來會(huì)影響熔化液在熔化池邊界附近的阻力。已打印部件的機(jī)械性能直接由微觀結(jié)構(gòu)決定；例如，柱狀顆粒會(huì)導(dǎo)致各向異性，由于在樹突間區(qū)域的脆性相可以降低延展性。另外，在凝固過程和隨后的循環(huán)加熱和冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)大的溫度梯度，再加上某些材料中的固態(tài)相變，通常會(huì)導(dǎo)致顯著的熱應(yīng)力和變形，從而降低拉伸強(qiáng)度、尺寸精度，熱應(yīng)力有時(shí)甚至?xí)谌毕莅l(fā)生時(shí)導(dǎo)致裂紋(凝固裂紋、液化裂紋和變形裂紋)或不利的微結(jié)構(gòu)，這是致命的失敗。熱應(yīng)力反過來又可能影響微結(jié)構(gòu)的演變；例如，已證明增材制造的金屬中的高密度位錯(cuò)主要是由壓縮-張力熱應(yīng)力循環(huán)引起的，熱應(yīng)力可能促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。到目前為止，過程-結(jié)構(gòu)-屬性之間的關(guān)系還遠(yuǎn)未得到全面的理解，即使是對(duì)于那些非常普通的、成分簡單的金屬也是如此。

在上述過程-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系中，有許多影響因素，即使是一些不受控制的或不可避免的變化，如在儲(chǔ)存和再利用過程中粉體的表面氧化，也會(huì)引起制造工藝并通過整個(gè)過程-結(jié)構(gòu)-屬性鏈進(jìn)一步傳播。此外，這些影響因素中有很多都與材料的性質(zhì)有關(guān)，通常需要經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，才能確定每種新材料的適當(dāng)制造參數(shù)窗口。粉體的擴(kuò)散特性和粉層的質(zhì)量對(duì)粉體的擴(kuò)散參數(shù)和粉體性能均有敏感性。有些是可以控制的或穩(wěn)定的，如擴(kuò)展速度和固有材料性質(zhì)，但其他諸如粉末尺寸分布、形態(tài)、表面粗糙度、氧化物膜，在粉末生產(chǎn)、儲(chǔ)存和再利用期間可能有所不同。在熔化過程中，影響激光特性的因素包括波長、極化、光束形狀和尺寸；制造參數(shù)有激光功率、掃描速度、掃描間距等；以及粉末和材料的參數(shù)，如導(dǎo)熱性、表面張力、粘度和比熱，其中大部分取決于當(dāng)?shù)販囟群突瘜W(xué)成分。從凝固過程中的晶粒/樹突晶成核和生長到凝固后的各種固態(tài)相變的非平衡微觀結(jié)構(gòu)的演變，不僅受到中尺度熔池流的位置和時(shí)間依賴的熱/合成條件的影響，而且還受到微觀尺度的沉淀和溶解的影響，在這些條件下，更多的材料參數(shù)起著重要作用，但更難在實(shí)驗(yàn)上測量或從理論上近似。機(jī)械性能主要由微觀結(jié)構(gòu)決定，也受殘余應(yīng)力的影響較大。殘余應(yīng)力來自熱應(yīng)力的演化，并由熱條件、組織演變和材料參數(shù)共同決定。模量、泊松比及熱能膨脹系數(shù)會(huì)隨溫度而變化。這些影響因素對(duì)有效選擇和優(yōu)化制造參數(shù)提出了挑戰(zhàn)，特別是那些無法控制甚至不明的參數(shù)對(duì)確保質(zhì)量一致性提出了巨大挑戰(zhàn)，這是阻礙許多工業(yè)廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。

另一方面，這些影響因素為操縱制造過程、調(diào)整微結(jié)構(gòu)以及調(diào)整機(jī)械性能的一致性提供了大量的機(jī)會(huì)。另外，一些外部的磁場、超聲場可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步調(diào)控結(jié)構(gòu)和屬性。采用激光束成形控制不銹鋼熔池的時(shí)空演化，從而獲得了較低的孔隙度、較好的表面質(zhì)量。在打印過程中添加活性氣體，大尺寸的氧化物顆粒在Lpbf過程中改善了常溫和高溫力學(xué)性能。在激光粉化工藝中應(yīng)用了高強(qiáng)度超聲波，實(shí)現(xiàn)了鈦-6Al-4V樣品中柱狀晶粒向細(xì)等軸晶粒的完全過渡，同時(shí)提高了屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度。然而，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)是某些金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，而不是制造的動(dòng)態(tài)過程和微觀結(jié)構(gòu)的演變。因此，對(duì)過程-結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系仍缺乏全面的了解，而且由于以往實(shí)驗(yàn)結(jié)論的推廣有限，今后對(duì)不同材料和設(shè)備的研究在很大程度上仍然主要依靠昂貴的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，而不是具體而明確的指導(dǎo)。

為了解決質(zhì)量不一致的問題，有效優(yōu)化各種材料的制造參數(shù)，充分發(fā)揮操縱制造過程、微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能的潛力，必須研究基本物理機(jī)制，以便深入了解過程-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系和這些影響因素的影響。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)定性方法主要獲得間接證據(jù)，不足以理解制造過程中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。最近的研究進(jìn)展表明現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和基于物理的計(jì)算建模是強(qiáng)有力的工具，提供前所未有的深入了解潛在物理機(jī)制。

一方面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了直接證據(jù)，可以用來驗(yàn)證仿真模型。另一方面，模擬結(jié)果可以提供更多無法在實(shí)驗(yàn)中測量的信息，并以更清晰、更量化的方式解釋實(shí)驗(yàn)觀測的機(jī)制。更重要的是，理解物理機(jī)制的最有效和最有力的方法是整合和協(xié)同現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和高保真物理建模。因此，有必要一并審查這兩種研究工具，其目標(biāo)如下：(1)了解它們的重要性和局限性，這些重要性和局限性主要是相輔相成的；(2)強(qiáng)調(diào)整合這兩種工具的巨大協(xié)同作用；(3)確定值得今后研究努力的寶貴專題。

來自新加坡國立大學(xué)和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員為此發(fā)表了“In-situ experimental and high-fidelity modeling tools to advance understanding of metal additive manufacturing”一文，刊登在機(jī)械制造領(lǐng)域頂刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104077

在該研究中，首先介紹了經(jīng)典物理學(xué)中的臨界物理現(xiàn)象及其基本原理。詳細(xì)闡述了現(xiàn)場同步X射線成像和衍射；總結(jié)了粉末動(dòng)力學(xué)、熔化池流、微結(jié)構(gòu)演化；同時(shí)也簡要提到了基于物理模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模——這是一個(gè)不容忽視的發(fā)展趨勢。最后，討論了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和高保真度模型的未來前景。

在金屬3D打印中用于過程-結(jié)構(gòu)-屬性研究的X射線特征化和高保真度建模工具

現(xiàn)場同步X射線用于激光金屬增材制制造過程的特征分析

兩個(gè)典型的小型粉床現(xiàn)場X射線成像裝置

高保真模型主要包括粉末動(dòng)力學(xué)、熔池動(dòng)力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)演化和機(jī)械性能建模

未來現(xiàn)場同步加速器特性化、高保真度建模及其綜合應(yīng)用的前景

本文系統(tǒng)地回顧了兩種先進(jìn)的研究工具，即原位同步加速器X射線表征和高保真度建模，它們用于探索金屬增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)物理機(jī)理。它概述了原位X射線成像和衍射的基本原理、能力、應(yīng)用和局限性，粉末動(dòng)力學(xué)、熔池流動(dòng)、微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能的高保真模型，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。此外，還討論了這些技術(shù)的局限性、挑戰(zhàn)和未來前景。本研究的主要結(jié)論如下：

• 目前，有兩種先進(jìn)的X射線表征工具用于監(jiān)測金屬3D打印的過程。原位X射線成像用于研究飛濺、熔池、凝固和裂紋，而原位X射線衍射能夠觀察凝固和熱循環(huán)過程中的相變和應(yīng)力演化。要獲得高質(zhì)量的結(jié)果，需要仔細(xì)設(shè)置樣本厚度和曝光時(shí)間，以提高信噪比和空間分辨率。然而，這些技術(shù)僅限于二維，因此很難完全捕捉整個(gè)過程；

• 高保真度模型涵蓋了多種現(xiàn)象，包括粉末動(dòng)力學(xué)、熔池流動(dòng)、相變以及應(yīng)力和裂紋演化。盡管這些模型具有很高的物理保真度，但它們的發(fā)展受到兩個(gè)主要限制：巨大的計(jì)算成本和缺乏材料特性。結(jié)合這些模型來預(yù)測零件的質(zhì)量，從加工到性能，從微觀到宏觀，仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)；

• 為了探索L-PBF的基本原理，應(yīng)該結(jié)合使用實(shí)驗(yàn)和模擬工具。盡管原位X射線表征和高保真度模型是在不同的平臺(tái)（真實(shí)和虛擬平臺(tái)）上開發(fā)的，但它們共同作為補(bǔ)充工具，探索這些制造過程中涉及的復(fù)雜機(jī)制；

• 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模可以提供一種更快的方法來提取結(jié)果的特征，并通過使用實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)來優(yōu)化處理參數(shù)。盡管數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型有助于預(yù)測優(yōu)化參數(shù)和指導(dǎo)制造，但L-PBF的基本原理和結(jié)果的物理機(jī)制仍然難以解釋。

原位同步加速器表征可以直接研究金屬3D打印的過程、結(jié)構(gòu)和性能，而高保真度模擬可以分析這些現(xiàn)象背后的物理原理。這兩種先進(jìn)的工具是相互作用的，應(yīng)該在克服各自問題的基礎(chǔ)上結(jié)合起來探索金屬3D打印的物理機(jī)制。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。