英國倫敦大學(xué)學(xué)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(xué)、格林尼治大學(xué)、美國阿貢同步輻射光源實驗室、上海交通大學(xué)金屬復(fù)合材料國家重點實驗室、中國上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jìn)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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(xué)（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(yīng)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(jìn)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(jìn)行零磁場實驗時，移除了兩個環(huán)形磁鐵。當(dāng)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(dāng)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(xué)過程和孔隙形成情況
通過在激光束的參考系中進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致鎖孔塌陷。在對高硅鋁合金（如AlSi10Mg）進(jìn)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(yīng)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(dǎo)致鎖孔大幅振蕩的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，由塞貝克效應(yīng)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(xué)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(dǎo)在一系列增材制造（AM）和焊接工藝中應(yīng)用磁控技術(shù)，這些工藝包括加工參數(shù)的變化以及預(yù)計塞貝克效應(yīng)較大的材料，如功能梯度材料、雙金屬材料、復(fù)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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