Nature！利用原位X射线成像和多物理场建模揭示DED孔隙演化机理

2024年2月28日，南极熊获悉，伦敦玛丽女王大学、伦敦大学学院 (UCL)、劳斯莱斯和国际研究人员展开合作，在阐明定向能量沉积 (DED) 中孔隙形成机理方面做出了重大突破。

这项研究近日以题为“Pore evolution mechanisms duringdirected energy deposition additive manufacturing”的论文被发表在《自然通讯》上，由Kai Zhang、Chu Lun Alex Leung & Peter D.Lee等人联合撰写。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45913-9

定向能量沉积 (DED)是一种很有前景的逐层增材制造 (AM) 技术，可为高附加值产品制造复杂的几何形状。DED还应用于修复应用，例如修复损坏的涡轮叶片。然而，汽车、船舶、航空航天和生物医学领域应用的 DED 工艺的工业化受到工艺过程中引入的孔隙率的限制，因为孔隙率可能不利于部件的最终机械性能，尤其是疲劳寿命。

孔隙率是 DED 生产的部件的一个常见特征，并且已在各种合金中观察到，包括钛合金镍基高温合金和铝合金。孔隙度主要包括气体孔隙度和缺乏熔合特征，按其形成机制分类。气体孔隙率可源于原料、保护气体的截留、以及在固体中比液态金属更难溶解的气体(例如氢气)的放出。由于能量输入不足，可能会形成缺乏熔合孔隙的情况。DED 中的孔隙率通常采用非原位观察技术进行研究，包括金相观察和 X 射线计算机断层扫描。然而，这些技术无法捕捉到孔隙形成的现象，也无法捕捉到它们生长和迁移的动态。为了开发具有最小孔隙率的高性能 DED 组件，有必要利用原位观察来清楚地了解孔隙演化和动力学机制。

△DED 过程中的动态气泡行为和机制

玛丽女王大学工程与材料科学学院的 Chinnapat Panwisawas 博士强调了这项研究的重要性，并指出了解孔隙演化对于最大限度地发挥 DED 的潜力至关重要。在这里，研究人员利用原位 X 射线成像和多物理场建模揭示了 DED 过程中的孔隙演化机制，量化了导致孔隙形成、迁移、推动、生长、去除和截留的五种机制：

（i）气雾化粉末中的气泡进入熔池，然后循环或横向迁移；

(ii) 小气泡可以从池表面逸出，或者合并成更大的气泡，或者被凝固前沿捕获；

(iii) 在固/液界面的推动下，较大的聚结气泡可以在池中保留很长时间；

(iv) 马兰戈尼表面剪切流克服浮力，防止较大气泡弹出；

(v) 一旦大气泡达到临界尺寸，它们就会从池表面逸出或被困在 DED 轨道中。

这些机制可以指导孔隙最小化策略的开发。

△DED 期间的孔隙形成机制。（图片来源：伦敦大学学院）

通过采用先进的原位 X 射线成像和多物理场建模，该团队阐明了 DED 期间熔池内孔隙形成和运动的动力学。他们的研究结果为最大限度地减少孔隙率和增强DED 生产的部件的机械性能提供了宝贵的见解。该研究为各个领域更安全、更可靠和高质量的制造打开了大门。

正如 Panwisawas 博士所指出的那样，利用这些知识可以生产出更强大、更安全、更可靠的组件，从而推动增材制造进入新的可能性领域。