上海交通大學凝固科學與技術研究所：在激光增材制造原位研究領域取得重大進展

上海交通大學材料科學與工程學院董安平研究員、熊良華副教授、杜大帆副教授、何林助理教授課題組聯(lián)合北京中國科學院高能物理研究所張兵兵副研究員團隊，在激光增材制造同步輻射原位研究領域取得了重要進展，相關研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”為題發(fā)表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上，這是國內(nèi)首篇僅利用國內(nèi)同步輻射資源發(fā)表的原位增材高水平文章。

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104181

該工作利用同步輻射高能X射線快速成像技術，對典型高熵Cantor合金在傳導模式下的多層定向能量沉積（DED）過程進行了原位研究，揭示了三種新的孔洞形成機制，并驗證了三種已知的孔洞生成機制；與此同時，基于熔池尺度流場高時空分辨表征，提出了一種調控馬蘭戈尼流實現(xiàn)孔隙消除新機制。這些發(fā)現(xiàn)為高熵合金的增材制造提供了關鍵的實驗數(shù)據(jù)，有助于開發(fā)精準的計算模型和深入理解熔池微觀尺度下的孔隙控制策略。上海交通大學材料科學與工程學院博士生張書雅為論文第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院孫寶德教授、董安平研究員、熊良華副教授、中國科學院高能物理研究所張兵兵副研究員為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成單位。

圖1 同步輻射原位研究激光定向能量沉積增材制造過程，從熔池尺度高精度高時空分辨揭示內(nèi)部孔洞形成及演化新機制。

激光定向能量沉積（Laser Directed Energy Deposition, LDED）增材制造技術快速實現(xiàn)三維復雜幾何形狀和大尺寸組件的高質量制造，并且能夠制備微觀結構可調的新型合金和功能梯度合金，在航空航天、生物醫(yī)學和核能領域具有重要應用。然而，與傳統(tǒng)的鑄造和焊接工藝相比，3D打印產(chǎn)品通常表現(xiàn)出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸，難以保障其激光打印一致性和穩(wěn)定性，嚴重影響了零件的力學和服役性能。因此，通過優(yōu)化工藝過程以減少孔隙，對于打印高熵合金等新型金屬至關重要。然而，目前對于多層DED過程在傳導模式下孔洞形成機制的系統(tǒng)性分析仍然有限；熔池內(nèi)部形成的孔洞如何隨熔流演變并相互作用？這些基礎科學問題對于減少甚至消除孔隙至關重要，而多物理模擬熔流對孔隙往往依賴高精度實驗數(shù)據(jù)，當前在多道次DED原位實驗研究尚未報道。

圖2 同步輻射快速成像原位研究DED過程。（a）利用高能快速X射線成像技術實時監(jiān)測粉末輸送示意圖；（b）同步輻射線站原位表征裝置圖。

針對上述問題和挑戰(zhàn)，研究人員利用同步輻射高能X射線快速成像技術，高時空分辨穿透高溫金屬熔體，實時觀察到高動態(tài)微尺度下熔池和氣孔的動態(tài)演變過程，原位研究了傳導模式下多層DED過程中多種合金體系（從鋁基、鈦基、鎳基合金到高熵合金）中的孔洞形成及演化行為，闡明了熔池內(nèi)六種孔洞生成機制和三種孔洞演化機制。

圖3 同步輻射快速成像高時空分辨表征熔池形貌，定量化數(shù)據(jù)可以標定和輸入高保真模型。

研究還發(fā)現(xiàn)，典型Cantor高熵合金中存在獨特的逆Marangoni對流現(xiàn)象，有助于延長孔洞的生存時間。在熔池循環(huán)區(qū)，孔洞沉降至激光相互作用區(qū)相鄰位置的熔池底部，隨后被推至熔池尾部；在接觸到凝固前沿之前向上移動，并重新進入熔池內(nèi)部循環(huán)。長壽命孔洞通常會在熔池激光相互作用區(qū)和循環(huán)區(qū)相鄰位置合并，容易向高溫區(qū)域移動，在熱毛細力和浮力主導下經(jīng)由熔池表面逃逸。這些發(fā)現(xiàn)對高熵合金等新合金體系DED工藝參數(shù)優(yōu)化、開發(fā)可靠的高保真計算模型以及從熔池尺度調控缺陷等具有理論指導意義。

圖4 Cantor合金多道次熔覆后熔道形貌，可以看出激光能量密度嚴重影響多道次熔道內(nèi)部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固后成形質量。

圖5 同步輻射原位表征數(shù)據(jù)定量化分析熔池內(nèi)部孔洞的捕獲和消除行為

上述相關研究得到了國家自然科學基金委（編號：52201017和52071205）、國家重點研發(fā)計劃（項目號：J2019-VI-0004-0117）、國家重大科技專項（項目號：2021YFB3703400）、上海市浦江人才計劃（22PJ1408000）以及中國科學院高能物理研究所等項目和單位的支持。

上海交通大學凝固科學與技術研究所聚焦于高性能金屬材料先進制造及凝固理論研究，特別是在高溫合金調壓鑄造和激光增材制造方面，具備國內(nèi)領先的首臺套工業(yè)級設備，并與國內(nèi)外一流大學和研究院所保持長期深入合作關系。近年來主持國家973計劃1項，國家自然科學基金重大儀器專項2項，面上項目20余項，青年基金項目3項，以及部分上海市科委、經(jīng)信委、教委的科研項目，同時承擔了多項企業(yè)委托課題。團隊長期誠聘高溫合金調壓鑄造、激光增材制造、同步輻射原位表征等方向博士后，聯(lián)系人：董安平（apdong@sjtu.edu.cn）。