在激光金屬增材製造中，熔池內(nei) 的熔體(ti) 流動決(jue) 定了熔體(ti) 的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質過程，對熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飛濺的產(chan) 生起著關(guan) 鍵作用。因此，熔體(ti) 流動行為(wei) 顯著影響增材製造零件的微觀結構和性能，了解熔體(ti) 的流動行為(wei) 對於(yu) 微觀組織預測和過程控製至關(guan) 重要。

在過去30年的時間裏，關(guan) 於(yu) 熔池中的熔體(ti) 流動行為(wei) 一直沒有研究透徹。近日，來自麥迪遜大學、密蘇裏理工大學以及美國阿貢國家實驗室的研究人員共同揭示並量化了熔池不同區域中特定位置的流動模式，為(wei) 研究實際增材製造條件下詳細的熔體(ti) 流動動力學開辟了道路。

該研究的主要研究人員為(wei) 中國或華裔學者，本期，3D打印技術參考對研究主要內(nei) 容進行介紹。

熔體(ti) 的熔化模式與(yu) 表征三維熔體(ti) 流動的挑戰性

由於(yu) 難以通過實驗方法直觀地觀察熔池內(nei) 部的流體(ti) 流動，研究人員因此通過廣泛的建模和仿真來研究各種條件下的流動模式。材料的熔化方式被分為(wei) 凹陷熔化和傳(chuan) 導熔化。在高功率密度下，由於(yu) 強烈的材料汽化而產(chan) 生的反衝(chong) 壓力會(hui) 在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相對較淺、較寬，沒有明顯的凹陷，形成傳(chuan) 導模式熔化。

考慮到激光增材製造中物理學的複雜性，使用單個(ge) 數值模型來模擬所涉及的多物理現象是極具挑戰性的。在真實的激光增材製造條件下，尤其是在激光粉末床熔合條件下，表征三維熔體(ti) 流動更具挑戰性，因為(wei) 激光通常以更高的速度掃描，並且產(chan) 生的熔池更小。因此，科學界尚未揭示實際激光增材製造條件下整個(ge) 熔池中的熔體(ti) 流動行為(wei) 。

熔體(ti) 流動動力學原位采樣示意圖，高速高分辨率X射線成像係統用於(yu) 在縱向視圖和橫向視圖中捕獲熔池中示蹤顆粒的運動

在這項工作中，研究人員開發了一種方法，通過均勻分散大量的微量示蹤劑（直徑約5μm）並進行原位高速高分辨率x射線原位成像，研究激光增材製造過程中整個(ge) 熔池中的熔體(ti) 流動行為(wei) 。揭示了在傳(chuan) 導模式熔化和凹陷模式熔化下整個(ge) 熔池中每個(ge) 位置的熔體(ti) 流動動力學，並分析了熔池中液體(ti) 流動的驅動力和物理過程。

實驗參數設置與(yu) 熔化模式

實驗采用了AlSi10Mg和Al-6061兩(liang) 種鋁合金。選擇鋁合金是因為(wei) 它們(men) 的X射線穿透性更高，同時驗證在AlSi10Mg中觀察到的熔體(ti) 流動模式是否也可以在另一種具有不同成分的Al-6061中觀察到。

在粉末床的前後兩(liang) 側(ce) 分別架設X射線測量裝置，分別捕獲橫向和縱向的顆粒運動。

兩(liang) 種熔化模式下的熔體(ti) 流動方式

由於(yu) 這兩(liang) 種熔化模式的物理基礎不同，傳(chuan) 導熔化和凹陷熔化的熔體(ti) 流動行為(wei) 表現出很大的不同。

在傳(chuan) 導熔化模式下，材料表麵被加熱，能量吸收的速度超過了熱量散失的速度，材料溫度最終達到熔點形成熔池。熔體(ti) 的流動模式相對簡單，主要受到Marangoni驅動力的作用，熔體(ti) 從(cong) 較熱區域流向較冷區域，即從(cong) 激光加熱點到熔池邊緣。激光束前麵的表麵流向前移動（順時針），而激光束後麵的表麵流向後移動（逆時針），當到達熔池的每個(ge) 邊緣時，它們(men) 將向下流動並在液壓的作用下返回到激光加熱點，形成兩(liang) 個(ge) 閉合回路。

傳(chuan) 導熔化模式下熔體(ti) 流動橫縱向視圖過渡

傳(chuan) 導模式下全熔池熔體(ti) 流動的三維重構

在凹陷熔化模式下，熱源能量非常強烈，材料溫度不僅(jin) 超過熔點，而且達到了沸點。在這種情況下，材料的強烈汽化會(hui) 施加反衝(chong) 壓力進入熔池，從(cong) 而形成一個(ge) 凹陷區。在焊接領域，當凹陷區域尺寸比（深度超過一半寬度）大於(yu) 1時，凹陷模式也稱為(wei) “鎖孔模式”，在這種模式下，熱源不僅(jin) 加熱材料的上表麵，還通過凹陷區加熱材料的內(nei) 部。

由於(yu) 強烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流動模式相當複雜。與(yu) 汽化有關(guan) 的力和Marangoni力主導著凹陷周圍的流動模式。而且隨著凹陷的形成，激光束直接與(yu) 熔池內(nei) 部相互作用，從(cong) 而促進了能量吸收，與(yu) 傳(chuan) 導模式相比，能量吸收導致熔池更大，流動更複雜。

凹陷熔化模式下熔體(ti) 流動橫縱向視圖過渡

凹陷上部的熔體(ti) 向上移動，而靠近凹陷底部的熔體(ti) 由於(yu) 受到反衝(chong) 壓力向下移動；熔池表麵附近的流動從(cong) 凹陷出口向熔池尾部向後移動，熔池底部的流動也有向後移動的趨勢，除了在熔池的後底部觀察到短的向前流動，兩(liang) 股熔體(ti) 最終合並向上移動，並分裂成兩(liang) 個(ge) 相反的方向。除此之外，其他位置的流體(ti) 流動模式和流動速度也各不相同，分別受到不同作用力的控製（詳細內(nei) 容查詢原文）。

傳(chuan) 導模式下全熔池熔體(ti) 流動的三維重構

END

總的來說，本項研究的重要意義(yi) 在於(yu) 首次揭示並量化了在激光金屬增材製造過程中，傳(chuan) 導模式熔化和凹陷模式熔化下，整個(ge) 熔池中每個(ge) 位置的熔體(ti) 流動動力學。

通過原位高速高分辨率X射線成像的方法為(wei) 研究實際增材製造條件下的熔體(ti) 流動動力學開辟了道路，其發現不僅(jin) 對理解激光增材製造工藝和其他激光工藝至關(guan) 重要，對於(yu) 開發可靠的高保真計算模型也至關(guan) 重要。