首次！原位X射线全场影像揭示激光增材制造过程中熔体流动动力学机制

时间：2020-04-04 14:45:04 来源：作者：网络

原标题：首次！原位X射线全场影像揭示激光增材制造过程中熔体流动动力学机制

激光天地导读：增材制造过程中熔体的流动是非常重要的过程。本文采用原位全场X射线影像技术对增材制造铝合金的熔体动力学进行了观察，首次全方位揭示了熔体流动的真实行为。

熔体流动在激光增材制造过程中扮演着非常重要的角色。然而，对熔体中金属熔体的飞溅行为，可以说，到至今仍然不清晰。本文报道了原位表征熔池中各位置的熔体动力学。这一表征通过原位高通量高分辨率的同步X射线影像技术对熔体中的每一微小细节均进行了观察。熔体中不同特定区域的熔体特征在热传导和塌陷模式下均进行了揭示。熔体不同区域的物理过程也进行了识别。本文报道的全场熔池图像为我们详细研究真实场景下的增材制造时的熔体流动的详细动力学情况指明了一条新的道路。本文的结果未激光增材制造工艺提供了重要的参考价值。为发展准确可靠的数值模拟结果也提供了重要的支撑。如下为该文的首页截图。

文章首页截图

激光增材制造（如LPBF、DED、LENS、LMD）过程中熔池中金属熔体的流动决定着整个过程的传热和传质，为熔池的发展变化、缺陷的形成与发展变化、凝固以及飞溅的形成均起到至关重要的作用。因此，熔体行为显著地影响着增材制造产品的显微组织和性能。于是，对熔体流动行为的深刻理解，对增材制造产品的显微组织预测和工艺过程的控制就显得非常重要。

原位全场影响技术研究熔池熔体动力学的示意图和观察到的结果

由于在实验过程中对熔池中熔体的可视化观察非常困难，从而导致人们花了大量的数值模拟工作以进行熔体在不同状态下的行为进行了研究，如不同激光功率、扫描速度造成的熔池塌陷（指由于激光功率突然增加，功率密度过大造成金属蒸汽挥发所形成的蒸汽压）或热传导熔化（一种在较低激光功率密度下进行的焊缝相对较窄深度相对较深的熔池，无明显塌陷的情形）两种情形。表面活性元素对熔体的流动已经有人进行了模拟。然而，由于激光增材制造过程中物理现象的复杂性，对增材制造过程中的多物理现象采用单个的数学模型来实现模拟是非常困难的。实际上，在许多数值模拟过程中必须先进行大量的假设。有些假设是为了让计算有效率，有的假设是因为并没有有用的数据可以参考，另外还有就是对其背后的物理机制根本就没能理解所造成的。所有的这些假设均存在一定程度上影响着模拟结果的准确性。于是，尽管现有的数值模拟结果与事后检验分析的结果会进行对比，模拟得到的结果经常与实验分析的结果不一致，有时还会出现矛盾的结果。然而，激光增材制造过程中的塌陷区的一些物理现象曾经采用更为有效的传热模型进行了解释，而没有考虑两种熔化模式存在本质的差别。因此，采用实验手段结合激光增材制造过程中熔体在热传导模式和塌陷区模式下的熔体流动行为，对深入理解熔体的时间流动行为和发展更为有效的计算模型是非常有必要的。

熔体在热传导模式下的流动行为

在焊接的研究工作中，人们常常采用痕量元素对焊接熔池中熔体的流动行为进行表征，这一手段已经使用了几十年的历史。最近的一篇文章为由于表面活性元素造成的熔体倒退提供了直接的证据。焊接研究中所采用的痕量元素所具有的尺寸，大的一般在50~500微米，含量在小于等于80个计算单位，只用于跟踪熔池在一定范围内的流动行为。可视的光学影像技术，如玻璃侧翼观察，也经常用来进行熔池中熔体流动的直接观察。然而，玻璃的存在阻挡了传热的真实方向并且有可能截断了熔体在横截面上的流动。因此，此时观察到的熔体流动有可能同真实的激光增材制造相差甚远。近来，原位X射线技术被用于激光增材制造的研究。最近的研究工作中采用钨作为痕量元素，使用同步X射线影像技术对熔体进行了研究，但该研究只是给出了在投影方向的熔体流动和熔池中局部去的熔池流动。

熔体在塌陷区模式下的动力学行为

对激光增材增材制造过程中的熔体流动进行了3D全方位的表征，尤其是在粉末床状态下的表征，更具有挑战性。这是因为在激光粉末床工作状态下，激光扫描速度非常快，熔池区域非常小。由于面临的挑战颇多，激光增材制造过程中的熔体流动行为从来就没有被真正的揭开锅面纱。

爱激光增材制造Al6061铝合金时的熔体动力学行为

本文中，研究者对熔体中添加了直径约5微米的痕量元素进行了激光增材制造过程中熔体流动行为的研究，并使用原位高速X射线影像技术进行了观察。揭示了整个熔池在热传导模式和塌陷区模式下的熔池流动动力学。同时分析了影响熔池中熔体流动的驱动力和物理过程。

文章来源：QilinGuo,CangZhao,MingleiQu,LianghuaXiong,S. Mohamm,, H.Hojjatzadeh,Luis I.Escano,Niranjan D.Par,KamelFezz,TaoSun,LianyiChen,In-situ full-field mapping of melt flow dynamics in laser metal additive manufacturing[J].Additive Manufacturing,Volume 31, January 2020, 100939,https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100939游戏网