来源：长三角G60激光联盟
据悉，在这篇综述中，区分了基于过程的不同熔化模式的定义与基于事后证据的定义。本文强调了匙孔的重要性，它大大提高了熔池对激光能量的吸收。本文为第二部分。
B、 基于流程的定义
1.概念定义
Zhao等人（2017）首次报道了操作高速同步加速器x射线成像技术，用于监测激光聚变AM过程。由于前所未有的时间和空间分辨率以及比实验室x射线成像高数量级的高帧速率已被探测。因此，对激光熔化模式的定义进行了相应修订（Cunningham等人，2019）。结果总结在图5（a）-5（c）。在固定的激光束下，熔化模式随时间从传导转变为小孔。
图5 通过高速同步辐射x射线成像由蒸汽凹陷和熔池形态定义的激光熔化模式。
在过渡模式下，熔池保持稳定的准半圆形状，而蒸汽凹陷变深且呈锥形，并呈现波动。在锁孔模式下，熔池深而窄，可能呈现双峰形状，顶部为碗状，底部为尖峰状。这与传统结果基本一致。在所有熔化模式中都可能存在蒸汽凹陷。也就是说，激光束通常不会直接与平坦的熔池相互作用，而是通过某种浅或深的蒸汽凹陷。
有趣的是，在高热输入的L-PBF和激光焊接工艺中研究锁孔模式及其随后的孔隙形成方面做出了广泛的贡献。正如Panwisawas等人所述，锁孔和锁孔诱导孔隙的机制需要进一步研究，因为它们仍然不是很为人所知。文献中提出了锁孔孔形成的各种理由。在最近的另一项工作中，Cunningham等人使用超高速X射线成像系统捕获了钛合金各种工艺条件下的锁孔演变及其孔隙率形成。然而，尽管他们以极大的时空细节观察了这些现象，但他们没有提供任何关于孔隙和锁孔如何以及为什么形成的信息 - 留下了物理解释和理由。与King等人（非原位）和Cunningham等人（原位）的纯实验工作相反，Tang等人使用不锈钢L-PBF的高保真模型研究了锁孔的形成。然而，他们的工作不包括任何实验研究，并且将锁孔引起的孔隙率与文献中的焊接和L-PBF结果进行了定性比较。
整个计算域的3D视图。
从热传输的角度来看，两个温度点Tsk和Tsm主要取决于局部吸收的激光能量、熔体流动通量、热扩散通量、蒸发潜热、固液转变潜热以及表面辐射和对流的热损失。熔池变得不稳定，并显示出锥形或尖峰尖端[图5（c）]。
基于熔池和蒸汽凹陷的形态，重新定义了熔融模式。尽管图5（c）中的示例使用了固定激光束，但可以通过将过渡时间转换为临界扫描速度[图5（f）]或通过检查熔池和蒸汽凹陷的横截面，将该方法扩展到扫描激光情况。这些基于过程的定义打破了历史限制，并提供了新的社区指南。
最重要的是，在很大程度上，在金属的激光熔合AM中，是蒸汽凹陷将激光束和熔池连接起来。
2.严格的定义
在这里提出的严格的锁孔定义中，不考虑角度和偏振相关的吸收率。
在具有给定光斑尺寸的固定激光束下，熔化模式取决于激光辐照度和相互作用时间，为了严格定义模式，需要激光熔化的物理过程的某些方面（即蒸汽抑制和熔池演变）。也就是说，这里演示的是相互作用时间，而不是辐照度。
在图5（d）中，对于给定的激光功率和光斑尺寸，蒸汽凹陷深度与时间的曲线显示了一个明显的过渡点，在此之前，深度以几乎恒定的速率缓慢增长，之后，深度开始波动。该时间点的转变被定义为蒸汽压下转变。它严格定义了传导模式的上限和过渡模式的下限。在过渡之前，空腔不是严格意义上的钥匙孔。
在图5（e）中，熔池随时间的深度与宽度纵横比呈现出两种不同的转变。第一个转变与图5（d）中定义的蒸汽压下转变一致，之后纵横比迅速增加。这种巧合表明，如果存在蒸汽腔，传导模式下的蒸汽压下动力学相对较慢，熔池动力学可以跟上。当纵横比达到约0.5的值（随激光功率变化）时发生第二转变，此后纵横比的增加停滞。这种转变被定义为熔池转变，它定义了转变模式的上限和锁孔模式的下限。
温度场的轮廓以及融合等值线和速度矢量。
3.从静止到扫描
对于给定的光斑尺寸，扫描激光束的两个主要加工参数是激光功率（P）和速度（V）。它们构成了P-V空间。在激光聚变增材制造中，将构建质量与P-V空间直接关联是一种有效但启发式的方法。与其他使用密度或孔隙率或熔融熔池或机械强度作为检验指标的研究相比。图5（f）和图5（g）使用基于过程的瞬态蒸汽减压。当速度接近零时，扫描光束变得静止。换言之，在宏观层面上，不管它们的差异（如不对称熔池和扫描下的蒸汽凹陷形态），静止光束和扫描光束通过激光-物质相互作用时间内在地连接。
如上所述，在稳定光束下定义的熔化模式可以通过两个过渡时间点td和Vd¼D/td扩展到扫描情况，其中D是激光光斑尺寸。对于给定的激光功率，有两个临界速度点分别对应于蒸汽压下和熔池转变。对于一系列功率，这些点可以连接到两条线，将P-V空间划分为传导、过渡和锁孔状态。在图5（f）中，下蓝线表示蒸汽压下转变，上红线表示熔池转变。此外，锁孔区可以进一步分为稳定区和不稳定区，后者对应于P-V空间中的高功率区和低速区。
当匙孔充分向下穿透（等值线内）时，由于液体的高变形性，它将继续进入熔体的背面。此时，激光要么大多无法穿透那么远，要么由于大量碰撞而失去了大部分能量，锁孔尾部的局部温度会降低。该低温区将导致表面张力的局部增加和该位置的反冲压力的显着降低，最终导致孔隙的形成。
(a) t = 0.705 ms， (c) t = 1 ms， (e) t = 1.2 ms。(b)、(d)、(f)为相应的3D视图。
为了阐明从浅深度熔池到锁孔条件的快速过渡，上图中描绘了三个不同时间的2D和3D温度等值线以及速度矢量。
P-V空间中熔化模式的这些扩展定义并不严格，特别是在低功率和低速区域，在那里，蒸汽凹陷和熔池波动显著。它们简单地从静止激光测量中导出，适用于基本评估。这与应用的能量密度参数对于精确量化熔池深度和熔化模式具有局限性的事实一致。这可能归因于整个空间中的蒸汽压形态的大变化，这可以通过多个角度相关的吸收事件显著改变激光吸收。这反过来通过马兰戈尼对流、反冲压力和蒸汽冲击影响熔体流动流体动力学，并最终影响熔体池形态。
在实践中，扫描激光束下的熔化模式可以根据熔池的横截面和蒸汽凹陷来定义。这可以通过使用高速同步加速器x射线成像数据进行模型校准和验证后的3D多物理模拟来辅助，这类似于静止光束下的模拟。在扫描过程中，由于局部材料或激光条件的变化，例如激光束前的样品预热或表面氧化或粉末运动和表面上方的阴影。
四、知识和机会的差距
A、 新兴知识
这里总结了基于过程的定义的几个关键点。首先，在所有三种模式下都有可能形成蒸汽凹陷，并且在传导模式之外，蒸汽凹陷动力学比熔池动力学更为瞬态。其次，在静止激光熔化下，对应于蒸汽凹陷和熔池转变的两个时间节点严格定义了三种熔化模式。第三，固定激光熔化中的熔化模式可以扩展到扫描情况，根据该情况，商业AM机器通常以过渡或稳定锁孔模式操作。然而，与使用施加的能量密度作为度量的情况一样，由于P-V空间中的蒸汽凹陷形态和激光吸收存在较大变化，因此应谨慎。
根据积累和能量输入方法对金属增材制造的不同过程进行分类的流程图。
增材制造技术通常根据所用材料的状态、材料层结合的机制以及熔化或软化材料的能量来源进行分类。根据累积方法和能量输入分类的金属增材制造工艺如上图所示。根据此流程图，金属增材制造中使用的两种主要技术类别是功率床融合（PBF）和定向能量沉积（DED）。PBF中使用的主要电源是激光器和电子束，相应的方法通常分别称为选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）。这两种方法都经常用于金属AM。
B、 超越x射线成像
Operando高速同步加速器x射线成像是探测激光聚变过程的宝贵工具。除了直接测量之外，熔池和蒸汽凹陷形态演变可以通过（如图6所示）高速x射线成像和其他原位和实时监测技术的组合转化为其他信号形式，如动态激光吸收、蒸汽羽流动力学和模式定义的超声信号。例如积分球辐射测量、纹影成像和浸没超声。在过程中x射线成像不可行的情况下，这些可能是过程监控的可行和有效方法。为了便于翻译（也在原位和异地数据之间），基于物理的建模、大数据方法和适当的实验设计是关键。
图6 operando同步x射线成像和其他高速现场监测技术的集成。通过多技术融合和多信号转换，同步x射线的新知识可以转化为工业实践。
温度等值线以及离开金属相自由表面的反射激光轨迹。
一旦形成匙孔，与激光接触的金属相的暴露表面积将急剧增加。因此，更多的能量将被金属相吸收，从而在很大程度上促进传热。正如Martin等人所报道的那样，凹陷前部的反射将导致其后部的汽化。在稳定条件下，暴露的表面比锁孔条件下的表面小得多。由于光线夹带，具有复杂形状（如形成空腔或钥匙孔向后倾斜）的金属相的较大暴露表面积有可能吸收更多的反射。根据上图，在浅深度条件下，大部分光线会离开金属的自由表面，反射很少，因为凹陷区很浅，反射光线的路上没有障碍物。
C 稳定锁孔AM
这些基于过程的定义为AMcommunity提供了新的指导方针。一个直接的结论是，在金属的激光粉末床熔合AM中，稳定的锁孔区域是实现全密度构建的理想区域。过渡区比稳定锁孔区小得多。它们共同勾勒出金属材料的工艺窗口，如图7(a)所示。在窗口外，P-V空间被几个可能造成微观结构缺陷或尺寸不精确的区域所占据，其中包括小孔孔隙度、球化和未融合孔隙度。为了充分利用这一窗口，我们需要确认并了解其边界。在实践中，当工艺工程师努力提高构建速率或构建条件的局部变化(如激光光斑大小、扫描速度、空气流量和粉末床表面)造成与规定的P-V参数的瞬时偏差时，通常会接近这些边界。换句话说，有必要揭示这些缺陷的根本根源。例如，在图7(b)和图7(c) 中，通过高速同步x射线成像发现锁眼孔隙度边界光滑且清晰。只有当靠近锁孔尖端的气孔从临界锁孔不稳定性释放的声波(高振幅、短持续时间、定向深度)中获得足够的动能时(类似于艺术品中的双掌打击)，它们才能迅速从锁孔周围的大热梯度场中逃逸，并被凝固前沿捕获为缺陷。这种声波驱动的机制与粘滞阻力驱动的机制不同，后者需要由缩回锁孔产生足够的等待时间。
图7金属激光粉末床熔合工艺图示意图。
D、 过程计量学
在金属的激光熔合AM中，迫切需要改进工艺计量。其中与精确确定熔化模式最相关的是激光功率、光束轮廓和扫描速度。它们共同决定了在构建过程中任何位置提供的能量。对于激光功率，通常不确定度在3%-5%范围内的传统热功率计是现成的。然而，这些不确定性在文献中并不经常报道，并且激光功率被假定为用户要求的功率。先前提供的基于物理的定义指出了激光辐照度在确定熔化模式中的重要性。为了准确确定可转移过程窗口，我们建议直接测量激光功率，并对每项将功率视为变量的研究说明不确定性。
如模拟所示，光束轮廓对于确定熔池结果也很重要。在文献中，“斑点大小”这一通用术语通常被简单地表述。只有当光束的几何轮廓已知（具有一定的不确定性）且其定义明确时，才可以使用这样的单个参数。目前有几种商业系统可用于测量光束轮廓，但没有建立绝对可追溯性的方法，如激光功率，这提供了一个计量机会，从而可以量化和解决商业光束轮廓仪之间的差异。
最后，扫描速度在确定激光扫描期间的停留时间以及由此传递的能量方面起着同样重要的作用。尽管如此，人们很少关注其测量或准确性。
孔隙形成过程中的温度等值线和速度场。
由于逐层制造策略、局部加热和快速冷却以及消耗粉末材料，增材制造金属中经常发现 LOF 区域、气体孔隙率、未熔化颗粒和光滑刻面。这些缺陷通常是在疲劳断裂表面上检测到的疲劳失效的来源。缺陷通常是由于金属增材制造过程中能量不足（LOF缺陷）或能量过多（孔隙率）而产生的。在金属AM中也观察到α相缺陷和显微镜下光滑的刻面，据报道是裂纹萌生的来源。缺陷的类型、位置、形状、尺寸、方向和密度等特征受工艺参数的影响很大。
五、结论
在这篇综述中，我们描述了激光熔化的一般物理过程。正是由极端热条件引起的许多物理机制的复杂相互作用，决定了蒸汽凹陷和熔池形态，并定义了熔化模式。熔化模式随着温度的升高而变化，从传导转变为小孔。
根据形态测量方法，熔化模式的定义可以是死后的或基于过程的。基于尸检的定义在概念上是合理的，但由于省略了蒸汽抑制的细节，它们是主观的、模糊的和令人困惑的。相比之下，基于过程的定义更清晰、更完整，其中熔体池和蒸汽凹陷的形态都是直接从操作高速x射线图像中测量的。它们解决了传统定义的传导模式中产生的锁孔孔的谜团。
熔化模式定义的修订提出了新的指导方针和方向。首先，在金属的激光聚变AM中，激光与物质的相互作用主要是与蒸汽腔。除传导模式外，蒸汽压差比传统预期的更为动态和瞬态。其次，稳定的小孔激光熔化为可持续和稳健的增材制造提供了一种方法。P-V空间中一些常见缺陷产生区的边界和起源仍然缺乏。此外，多物理模拟、从形态数据到其他可行和互补测量信号的信号转换以及改进的过程计量正被用于开发跨平台和规模的可转换过程窗口。
纵向视图显示了自由表面以及以下情况的孔隙率分布。
在匙孔概念首次提出几十年后，正是操作高速x射线成像技术为激光熔化的物理过程打开了大门。随着技术的进步，有可能以更高的空间、时间和能量分辨率重新审视长期存在的问题，并继续更新或修正现有的理论和模型。我们希望这篇综述不仅能加深对激光熔化模式的理解，而且能启发人们对金属激光熔合增材制造的前沿研究和发展的思考。
来源：Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing, Reviews of Modern Physics, 10.1103/RevModPhys.94.045002
参考文献：Aboulkhair, N. T., N. M. Everitt, I. Ashcroft, and C. Tuck, 2014,“Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting,” Addit. Manuf. 1–4, 77–86.;
Aboulkhair,N. T., I. Maskery, C. Tuck, I. Ashcroft, and N. M. Everitt, 2016, “On the formation of AlSi10Mg single tracks and layers in selective laser melting: Microstructure and nano- mechanical properties,” J. Mater. Process. Technol. 230, 88–98.
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