摘要：激光粉末床熔合 (LPBF) 技术有可能彻底改变航空航天、医疗和汽车工业中复杂金属部件的制造。然而，在 LPBF 的快速激光-金属相互作用（~10¶ 5 s）期间可能会产生锁孔孔隙。这些内部孔隙可能会影响制造部件的机械性能。在此，基于实验观察到的由 LPBF

导读

激光粉末床熔合 (LPBF) 技术有可能彻底改变航空航天、医疗和汽车工业中复杂金属部件的制造。然而，在 LPBF 的快速激光-金属相互作用（~10¶ 5 s）期间可能会产生锁孔孔隙。这些内部孔隙可能会影响制造部件的机械性能。在此，基于实验观察到的由 LPBF 中熔池锁孔分裂导致的锁孔穿透孔隙 (KP-pore)，建立了多物理有限体积模型来揭示这种机制，其中锁孔孔隙是在锁孔和固体金属基材直接接触下形成的，这与之前报道的气液相互作用不同。KP-pore、后部-前部孔隙 (RF-pore) 和后部孔隙 (R-pore) 的形成机制可归因于不同的锁孔波动模式。探讨了粉末对锁孔、熔池和孔隙形成特性的影响。孔隙数量的增加和尺寸的减小是由于粉末促进小孔和熔池振荡所致。此外，通过高通量模拟建立了输入能量密度与孔隙数量之间的关系图，为减少或消除激光粉末床熔合中的孔隙提供了策略。

主要图表

图 1. 计算域和边界条件。

图2.粉末床生成过程。

图 3. JmatPro 软件计算的模拟中使用的纯铝的热物理性质：（a）粘度和表面张力，（b）比热，（c）热导率，（d）密度。

图 4. 通过 (a, b) X 射线成像（经参考文献 [20] 许可改编）和 (c, d) 模拟获得的锁孔形态比较。激光功率为 500 W，扫描速度为 600 mm s ¶ 1，光斑直径为 50 μm。激光从左向右移动。视频 1 包含此图中使用的图像，可在补充信息中找到。

图 5. 纵向平面上的流体流动和 KP 孔隙的形成。（a）速度的二维片段、（b）温度的三维片段和（c）反冲压力的三维片段，（d）KP 孔隙形成的 X 射线成像（经参考文献 [20] 许可改编）。请注意，X 射线成像的时间分辨率（20 μs）可能不足以捕捉整个穿透动态，因此，我们无法完全验证该模型。标签 i¶ vii 分别表示 0.317、0.330、0.336、0.346、0.350、0.358 和 0.364 ms 的时刻。（a）中的箭头 1–5 表示流体流动方向。（d）中的红色圆圈表示孔隙。（a）¶ (c) 中的白线和（e）中的黑色虚线表示 L/S 界面。激光功率为 500 W，扫描速度为 600 mm s ¶ 1，光斑直径为 50 μm。（有关此图例中颜色引用的解释，请读者参阅本文的网络版。）

图 6. (A) 熔池和小孔的深度。(b) 深度差和垂直方向上的 L/S 界面速度。每 12 μs 提取一次数据。(c) 提取的特征参数示意图。(d) 深度差和 L/S 界面速度对 KP 孔隙形成的影响。

图 7. (A) 3D 流线图显示小孔和孔洞的演变。(b) 示意图显示 KP 孔洞形成机理，其中 KP 孔洞是在小孔和基材直接接触下形成的。激光沿 X 轴正方向移动。(a) 中的标签 i¶ vi 分别表示 0.317、0.330、0.336、0.350、0.358 和 0.364 毫秒时的时刻。(a) 中的 V 形红色和黑色箭头分别表示小孔后方和前方熔池中的流体流动方向。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图8. 纵向平面内流体流动与RF-孔隙形成。标号i¶vi分别表示1.401、1.402、1.417、1.431、1.472、1.608 ms的矩。左侧第一幅图中黑色实线表示流体流动方向，黑色虚线表示流体流动趋势。白线表示L/S界面。激光功率为500 W，扫描速度为600 mm⋅s -1，光斑直径为50 μm。

图 9. 纵向平面内流体流动与 R 孔形成。标签 i¶ vi 分别表示 2.234、2.236、2.240、2.242、2.250 和 2.251 ms 的矩。左侧第一幅图中的实线表示流体顺时针流动。白线表示 L/S 界面。激光功率为 500 W，扫描速度为 600 mm⋅s -1，光斑直径为 50 μm。

图 10. 粉末对熔池和小孔深度 (a)、深度差和 L/S 界面速度 (b)、孔径 (c)、振荡频率 (d) 和 KP 气泡数的影响。每 12 μs 提取一次深度数据。(f) 和 (g) 分别显示有粉末和无粉末的孔分布。振荡频率表示 1 秒内穿透熔池的小孔数量。激光功率为 500 W，扫描速度为 600 mm⋅s -1，光斑直径为 50 μm。补充信息中提供了使用粉末床的 LPBF 工艺的视频 2。

图 11. (a) 不同扫描速度（P = 400 W 和 d = 50 μm）、(b) 不同激光光斑直径（P = 500 W 和 V = 600 mm s ¶ 1）和 (c) 不同激光功率（V = 1000 mm s ¶ 1 和 d = 80 μm）对熔池和小孔深度差异的影响。

图 12. 输入能量密度对 (a) (b) 振荡频率、(c) (d) 最大穿透深度、(e) (f) KP 孔数和 (g) (h) 总孔数的影响。右图为左图中蓝色虚线框的放大图。红色空心圆表示没有小孔穿透熔池或形成孔隙的拟合曲线的阈值。输入能量密度 E 定义为 E = 4P Vπd2。振荡频率是指小孔在 1 秒内穿透熔池的次数。负的最大穿透深度表示小孔深度小于熔池深度。（补充视频 1、3-11）。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版。）

结论

本研究利用三维多物理场FVM模型研究了不同的小孔形成机理，并通过超高速原位X射线成像结果进行了验证。主要结论如下：1）揭示了一种新的KP孔形成机理，即小孔与金属基体直接接触形成小孔。2）重现了之前发现的RF孔和R孔，R孔是由于小孔后壁形成隆起或移动，壁面坍塌并夹断气泡而产生的。RF孔的形成是由于前后小孔壁之间形成波动和桥梁，导致瞬时气泡形成，然后被凝固前沿捕获。3）发现不同的小孔形成机理使其形状和分布不同。R孔较小且不稳定；因此通常分布在上部。RF孔中等大小，近球形，主要分布在中部。KP孔隙较大且不规则，其形貌与凝固界面捕获的小孔尖端相似，大部分KP孔隙位于底部。4)探讨了粉末对孔隙形成的影响，粉末降低了传热效率，导致熔池和小孔深度变小，而且粉末的存在增加了熔池和小孔的振荡，导致小孔隙增多。5)对输入能量密度影响的研究表明，在幂函数中，随着能量密度的增加，振荡频率、KP孔隙和总孔隙数增加。穿透和孔隙出现的输入能量密度阈值顺序为：E总孔隙数

主要信息

Understanding keyhole induced-porosities in laser powder bed fusion of aluminum and elimination strategy

来源：江苏激光联盟