激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion）能够精确高效地制备复杂结构，是一种重要的金属3D打印技术。然而，由此产生的孔隙缺陷一直都阻碍着这项技术在疲劳敏感型应用领域的进一步发展。其中，在高功率、低扫描速度激光熔融条件下产生的锁孔（keyhole, vapor depressions）现象就与孔隙的产生紧密相连。

来自美国阿贡实验室的研究人员使用超高速同步X射线影像来定量研究在粉末床增材制造金属的过程中激光熔化金属时气体压差（又叫匙孔效应或小孔效应）．尽管从焊接和熔化的横截面的事后检查中可以对匙孔效应进行观察分析，但直接使用高能X射线影像技术对匙孔效应的形貌和动力学观察,却可以窥见不一样的世界:1,匙孔存在于粉末床3D打印时激光功率和扫描速度所组合的区间内;2激光功率密度变化时存在一个从热传导到匙孔效应焊接时严格定义的门槛值;3这一过渡允许蒸发,液相表面的压差,不稳定和深的匙孔效应的形成.以上这些和其他方面则为粉末床3D打印提供了基本的物理知识.

图1 在静止激光照射时熔池和蒸汽压差的演化过程图

图解:(A) 熔池开始形成 . (B) 小且稳定的蒸汽压差开始形成 . (C) 蒸汽压差的稳定生长 . (D) 蒸汽压差的不稳定性开始形成 . (E和 F)蒸汽压差的形状开始快速的变化 . (G和H)蒸汽压差开始周期性的波动 . (I 和 J) 熔池形状开始自准半圆形到双峰形(碗口朝上,矛头在底部的中间)的变化,此时的样品为 Ti-6Al-4V 板材,激光的光斑尺寸为 140 μm, 激光功率为 156 W. 熔池的形状在 (E) 和(J)中使用红色来显示.

金属3D打印是一类可以自CAD数字模型直接制造出复杂的３D形状的先进制造技术.其中粉末床3D打印技术是一种常见的３D打印技术，使用高能激光扫描来选择性的熔化预铺设的粉末形成CAD预设的三维实体．高的能量密度和低的扫描速度会导致形成的熔池形状为窄且呈半圆形的形状（称之为热传导模式）向深且窄的形状（匙孔效应）过渡．３D打印中的匙孔效应，众所周知，同气孔的形成密切相关．形成的大的气孔后由于气孔会成为裂纹的萌生源而影响到材料的疲劳寿命．匙孔效应是一种气体填充的压差，在焊接中可谓众所周知，同时匙孔效应还同液相金属中的气化密切相关．我们当前对匙孔效应的形成是基于非直接的对熔池在凝固后进行横截面的观察来实现的，有时候还结合对熔池表面和气体孔洞进行视频影像的观察．激光照射时功率密度的重要性已经被理解，但文献中主要集中在同穿透深度的相关规律的研究上，考虑的是光束的宽度．

图2 在静止的激光照射时得到的匙孔效应 打孔时的结果

图解：(A和 B) 蒸汽压差在不同的激光功率,光斑尺寸为5和 140 μm的时候的穿透情况,其过渡发生在几乎是同一蒸汽压在给定光斑尺寸时的蒸汽压的深度条件下,较小的光斑尺寸具有较浅的临界深度 . (C) 激光打孔的速率随着过渡后功率密度的变化图 . 黑色的点划线是预波动打孔时的线性拟合

来自美国阿贡实验室的研究人员使用超高速同步X射线影像技术来对采用静止激光照射和移动扫描模式下的可视化Ti6Al4V钛合金的熔化和蒸汽压差(匙孔效应)的发展演化情况进行了观察分析.这一团队及其其他研究者在早先的报道中公开过基于AM的同步Ｘ射线实验结果．如硬X射线具有高度的空间分辨率（２微米）和时间分辨率（５０到４００ＫＨｚ），这是美国阿贡实验室先进声子中心（ＡＰＳ）在目前的先进水平．借助此装置，研究人员观察到了蒸汽压差（匙孔效应）存在于几乎所有的同LPBF相关的工艺状态下，当蒸汽压差的形状和尺寸变化较大时．这一结果同我们通常所认为的热传导到匙孔效应的过渡同孔隙率和熔池的高宽高比的结果是一致的.而且,激光打孔时和移动激光束时匙孔效应的相似性是显而易见的.总而言之,我们的高分辨率的数据可视化的揭示了从热传导效应到匙孔效应的关于打孔,匙孔效应的深度,匙孔效应的入射角和额外的功率密度之间的关系.

图3 在P-V关系途中的匙孔效应 的形貌变化结果

图解:(A)对Ti-6Al-4V 合金板在光斑尺寸为95μm时,X射线影像得到的群像图像，表明了蒸汽压差的尺寸和形貌的变化 ， 蒸汽压差和熔池的过渡，测量的是静止的激光束实验结果，如２A等.采用蓝色和红色的点划线分别标示出来 . (B和 C) 蒸汽压差的深度随激光功率在不同扫描速度下的结果,激光光斑分别为 95 μm (B)和 140 μm (C) .误差表在SD处表示出来.

在熔池和蒸汽压差(匙孔效应)在静止的激光照射时的演化,我们发现了五个显著不同的行为区域:1熔化,2蒸汽压差(匙孔效应)的形成和发展,3蒸汽压差的不稳定性,4 匙孔效应的形成和发展,5熔池形状的变化(图1).当我们打开激光后,金属开始熔化,固体-液体界面由于X 射线吸收的对比度而清晰可见(图1A).当表面温度接近沸点的时候,局部的蒸汽压形成蒸汽压差(见图1B).这一压力驱动液相的升起和离开塌陷区,此时在一个相对固定的速率条件下生长,直到它开始波动(见图1c).紧接着,蒸汽压差从窄且半圆形向深和圆锥形的的塌陷区过渡(见图1D),在这一过渡之后,蒸汽压差快速的穿过熔池,表明液相的物质位移从激光光斑中心开始.当蒸汽压差在材料中以非常快的速度穿过材料中时,液相-气相界面剧烈的波动(见图1E到H).在蒸汽压差波动后,熔池迅速的从准静态的半圆形向双峰的形态发展(碗口朝上,矛头在底部的中间,见图1 Ｅ到Ｊ);这解决了早期从热传导到匙孔效应的不稳定性问题.

图4 匙孔深度,入射前壁的角度和激光功率密度之间的关系

图解:(A) Ti-6Al-4V 合金板的蒸汽压差的Ｘ射线影像结果, 表示出蒸汽压差的深度，ｄ，入射壁的角度θ.　 (B) 匙孔的深度和前入射角度的示意图　. (C) 前入射角度的理论计算值（点划线）和实验测量结果的比较，实验条件为光斑尺寸为95 和140 μm．　 (D)匙孔的深度随着前入射角度的切线变化的结果，此时的光斑尺寸为 95-μm 　

作者基于光斑尺寸D和施加的激光功率来测量了每幅图中蒸汽压差的最大深度.我们发现了一个非常清晰的过渡,大约在5毫秒的时间内,此时熔池生长缓慢,从单独的热传导和快速穿透和匙孔形成中分离出来. 导致这一过渡区从给定光斑尺寸的非线性减少.我们同时观察了打孔速率在匙孔区域随着功率增加的情况.物质波动的情况随着匙孔的形成的发生,意味着测量一个精确的打孔速率所经受的误差取决于测量的持续时间.

理解金属打印的工艺窗口的边界条件对重复制造无缺陷的部件是至关重要的.我们直接观察了和识别了在采用静止激光进行实验时的状况以及蒸汽压差随工艺参数变化时熔池形貌的变化.激光增材制造时和激光焊接时两个主要的参数为激光功率和及该动态激光扫描速度,即P-V空间关系图.同静止激光实验不同,静止空间图所不同的是,几乎所有功率和速度的组合,尽管在传统的激光实验时,在不同的激光功率时几乎呈现出相似的行为(见图3A以及动图S2-S6).同日常所观察到的P-V图所不同的是,几乎所有的功率和速度的组合,尽管在传统的匙孔区域显示出深且窄的蒸汽压差,此时才定义为匙孔和此时在较粗糙的尺度下呈现出深的穿透焊接深度.结合静止和动态移动扫描,如图3A所示，仅在蓝色点线区域下方属于热传导占主导的区域．较高的功率和较低的扫描速度条件下的Ｐ－Ｖ区一般为不稳定的匙孔区，此时易于形成圆形气孔，也许同匙孔具有较大的纵横比相关.此时,入射角大约在匙孔的底部开始稳定.如图3为测量的蒸汽压深度随着激光功率和光斑尺寸为95到140微米时的变化的情况,见图3B和c.

文章来源:Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting，Science 27 Nov 2020:

Vol. 370, Issue 6520, pp. 1080-1086，DOI: 10.1126/science.abd1587