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在激光金屬增材制造中，熔池內(nèi)的熔體流動決定了熔體的傳熱傳質(zhì)過程，對熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飛濺的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。因此，熔體流動行為顯著影響增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)和性能，了解熔體的流動行為對于微觀組織預測和過程控制至關(guān)重要。

在過去30年的時間里，關(guān)于熔池中的熔體流動行為一直沒有研究透徹。近日，來自麥迪遜大學、密蘇里理工大學以及美國阿貢國家實驗室的研究人員共同揭示并量化了熔池不同區(qū)域中特定位置的流動模式，為研究實際增材制造條件下詳細的熔體流動動力學開辟了道路。

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

熔體的熔化模式與表征三維熔體流動的挑戰(zhàn)性

由于難以通過實驗方法直觀地觀察熔池內(nèi)部的流體流動，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凹陷熔化和傳導熔化。在高功率密度下，由于強烈的材料汽化而產(chǎn)生的反沖壓力會在熔池中形成凹陷，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，形成傳導模式熔化。

考慮到激光增材制造中物理學的復雜性，使用單個數(shù)值模型來模擬所涉及的多物理現(xiàn)象是極具挑戰(zhàn)性的。在真實的激光增材制造條件下，尤其是在激光粉末床熔合條件下，表征三維熔體流動更具挑戰(zhàn)性，因為激光通常以更高的速度掃描，并且產(chǎn)生的熔池更小。因此，科學界尚未揭示實際激光增材制造條件下整個熔池中的熔體流動行為。

熔體流動動力學原位采樣示意圖，高速高分辨率X射線成像系統(tǒng)用于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(fā)了一種方法，通過均勻分散大量的微量示蹤劑（直徑約5μm）并進行原位高速高分辨率x射線原位成像，研究激光增材制造過程中整個熔池中的熔體流動行為。揭示了在傳導模式熔化和凹陷模式熔化下整個熔池中每個位置的熔體流動動力學，并分析了熔池中液體流動的驅(qū)動力和物理過程。

實驗參數(shù)設(shè)置與熔化模式

實驗采用了AlSi10Mg和Al-6061兩種鋁合金。選擇鋁合金是因為它們的X射線穿透性更高，同時驗證在AlSi10Mg中觀察到的熔體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。

在粉末床的前后兩側(cè)分別架設(shè)X射線測量裝置，分別捕獲橫向和縱向的顆粒運動。

兩種熔化模式下的熔體流動方式

由于這兩種熔化模式的物理基礎(chǔ)不同，傳導熔化和凹陷熔化的熔體流動行為表現(xiàn)出很大的不同。

在傳導熔化模式下，材料表面被加熱，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。熔體的流動模式相對簡單，主要受到Marangoni驅(qū)動力的作用，熔體從較熱區(qū)域流向較冷區(qū)域，即從激光加熱點到熔池邊緣。激光束前面的表面流向前移動（順時針），而激光束后面的表面流向后移動（逆時針），當?shù)竭_熔池的每個邊緣時，它們將向下流動并在液壓的作用下返回到激光加熱點，形成兩個閉合回路。

傳導熔化模式下熔體流動橫縱向視圖過渡

傳導模式下全熔池熔體流動的三維重構(gòu)

在凹陷熔化模式下，熱源能量非常強烈，材料溫度不僅超過熔點，而且達到了沸點。在這種情況下，材料的強烈汽化會施加反沖壓力進入熔池，從而形成一個凹陷區(qū)。在焊接領(lǐng)域，當凹陷區(qū)域尺寸比（深度超過一半寬度）大于1時，凹陷模式也稱為“鎖孔模式”，在這種模式下，熱源不僅加熱材料的上表面，還通過凹陷區(qū)加熱材料的內(nèi)部。

由于強烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流動模式相當復雜。與汽化有關(guān)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，激光束直接與熔池內(nèi)部相互作用，從而促進了能量吸收，與傳導模式相比，能量吸收導致熔池更大，流動更復雜。

凹陷熔化模式下熔體流動橫縱向視圖過渡

凹陷上部的熔體向上移動，而靠近凹陷底部的熔體由于受到反沖壓力向下移動；熔池表面附近的流動從凹陷出口向熔池尾部向后移動，熔池底部的流動也有向后移動的趨勢，除了在熔池的后底部觀察到短的向前流動，兩股熔體最終合并向上移動，并分裂成兩個相反的方向。除此之外，其他位置的流體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制（詳細內(nèi)容查詢原文）。

傳導模式下全熔池熔體流動的三維重構(gòu)

END

總的來說，本項研究的重要意義在于首次揭示并量化了在激光金屬增材制造過程中，傳導模式熔化和凹陷模式熔化下，整個熔池中每個位置的熔體流動動力學。

通過原位高速高分辨率X射線成像的方法為研究實際增材制造條件下的熔體流動動力學開辟了道路，其發(fā)現(xiàn)不僅對理解激光增材制造工藝和其他激光工藝至關(guān)重要，對于開發(fā)可靠的高保真計算模型也至關(guān)重要。