谷研究 l 原位X射線成像用於監測激光增材製造中的缺陷和熔池動力學

在大多數工業市場，都是在零件生產完成後通過坐標測量機（三坐標測量機）來檢查機械特徵，以及通過X射線來檢查內部缺陷，CT掃描來尋找深層次的缺陷。然而，對於粉末床3D列印工藝來說，零件在構建的過程中有50多種因素會對零件的質量發生影響，等生產出來再發現缺陷無疑對於生產商來說太遲了。

不過即便是鑄造工藝，存在毛孔也實屬正常。更何況，對於如何減少甚至消除粉末床金屬3D列印技術所帶來的毛孔的問題是科學家們一直努力的方向，包括調整加工參數，包括過程中工藝監測和質量控制等等。

這其中熔池監測是重要的環節，而根據Nature Communications第9卷（文章編號：1355（2018）），英國曼徹斯特大學Chu Lun Alex Leung等科學家將原位X射線成像用於監測激光增材製造中的缺陷和熔池動力學，這在3D科學谷看來，代表了熔池監測的又一進步。

更好的質量控制

始於更好的監測

根據3D科學谷的市場研究，當前業界最常用的過程中質量控制方法最為典型的是Sigma Labs的解決方案，通過對加工過程進行數字圖像的多片拍攝，計算機將這些圖像與設計模型的切片進行比較。如果計算機識別的是該片剛剛列印出的圖像與設計切片有差異，則該層是缺陷發生可疑層。如果與幾何切片的差異是顯著的，那麼就可以通過程序指令讓印表機停止。如果與模型切片的幾何差異不顯著，3D印表機可以繼續工作，但向操作者發送一個可疑信息警告消息，這樣在列印完成後的質量檢測過程中作為考察對象。

與Sigma Labs相對靜態的熔池監測不同的是，英國曼徹斯特大學試圖在動態層面上更加透徹地理解激光熔融過程中發生了什麼，為了更加透徹的研究激光增材製造（LAM）相關的激光物質相互作用和凝固現象，推動粉末床激光熔融工藝開發和優化，Chu Lun Alex Leung等科學家將原位X射線成像用於監測激光增材製造中的缺陷和熔池動力學。

圖片：熔池動力學，熔融軌跡

通過操作高速同步加速器X射線成像，科學家們揭示了金屬熔融沉積第一層和第二層熔體軌道時的基本物理現象。通過監測表明，激光誘導的氣體/蒸汽射流促進了熔體痕迹和裸露區域的形成，通過濺射（速度為1 m s-1）。科學家們還發現了由Marangoni驅動的流動（以0.4 m s -1的速度再循環）的孔隙遷移機制，

圖片：對飛濺行為的跟蹤理解

針對激光再熔化的孔隙溶解和擴散，3D科學谷了解到科學家們開發了一種機製圖，用於預測熔體特徵的演變，熔體痕迹形態的變化，從連續的半圓柱形軌道到斷開的珠粒，隨著線性能量密度的降低以及隨著激光功率的增加熔池潤濕性的改善。這樣的結果闡明了粉末床激光熔融技術背後的物理學規律，這對粉末床激光熔融技術的發展至關重要。

包括激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉積（DED）在內的激光增材製造技術引起了學術界和工業界的極大興趣。根據3D科學谷的了解這些加工技術中會產生的尺寸精度差和缺陷卻又是困擾技術發展的制約因素，缺陷方面包括不充分熔融、殘餘孔隙度和飛濺等問題可能會導致激光3D列印技術的零部件在使用過程中的機械性能（屈服應力和疲勞性能）不一致。

通過第三代同步輻射源的高通量X射線束，能夠以前所未有的時間（十分之幾微秒）和空間解析度（幾微米）實現X射線成像。通過同步加速器X射線成像來調查和量化缺陷和熔池動力學。科學家們揭示了在激光3D列印過程中熔體軌跡、裸露區域、飛濺和孔隙形成的機制，包括孔隙遷移、溶解、擴散和爆裂。所提出的方法和結果可以增強對增材製造和其他材料加工技術（例如焊接和熔覆）的理解。

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