激光粉末床熔融是一種基于鋪粉的先進的增材制造技術，它可以制造出形狀復雜的近凈型金屬零件。然而，盡管采用了優(yōu)化的工藝參數(shù)，研究人員仍然觀察到了成型過程中產生的隨機缺陷，這種缺陷被認為是“行為失常的”。

縮孔是在金屬鑄造過程中普遍存在的問題，這主要是由金屬在凝固過程的最后階段發(fā)生體積收縮引起的。特別是，當金屬冷卻從液相線溫度到固相線溫度的過程中，就可能形成這種缺陷。高速冷卻會導致枝晶生長過渡到晶胞生長，這一過程中，金屬體積的收縮會導致枝晶或晶胞間液體壓力的降低，進而促進空隙的形成。為了防止空隙形成，需要在凝固枝晶間壓力降低時提供穩(wěn)定的液態(tài)金屬來補償體積收縮。此外，如果液態(tài)金屬的流動通道被固化材料堵塞，就會因為液態(tài)金屬供應不足而形成縮孔。

Graphical abstract

美國卡內基梅隆大學聯(lián)合匹茲堡大學研究人員研究了激光粉末床熔融增材制造中縮孔的形成機理，相關研究成果以題為 “A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing” 的論文發(fā)表在《Acta Materialia》上。

該研究通過微觀結構表征和熱傳遞模型分析，提出了一種PBF-LB工藝中縮孔形成的機理解釋。研究結果表明，傳統(tǒng)的Niyama準則并不適用于預測縮孔的發(fā)生。相反，縮孔的形成主要由凝固過程中次級枝晶臂的生長驅動，并且高冷卻速率下向細胞生長的轉變有助于減少孔隙的形成。這一發(fā)現(xiàn)說明，基于凝固冷卻速率的方法可以作為一種可靠的預測工具。為了應對實際制造過程中的挑戰(zhàn)，該研究提出了一種縮孔率工藝圖，以指導工藝設計和控制，直接降低縮孔的風險。此外，該研究還指出，在PBF-LB制造過程中，追求更高的沉積溫度和沉積率可能會加劇縮孔的形成，從而強調了采用本研究提出策略的重要性。

圖1. 金屬凝固過程中縮孔的形成示意圖。(a)具有適當?shù)臒崽荻群屠鋮s速率的枝晶凝固。(b)在過低的熱梯度和/或過高的冷卻速率下，枝晶之間的流動通道被次級枝晶阻塞。(c-d)背散射電子顯微圖顯示IN718合金PBF-LB樣品的收縮孔網(wǎng)絡。

圖2. PBF-LB熔池圖，顯示固液溫度與液相溫度之間凝固前沿厚度d變化引起的熱梯度G變化。TEvaluation是計算熱梯度和冷卻速率的溫度。

圖3. 收縮孔隙率隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律。(a)背散射電子顯微圖顯示，285W、1000 mm/s樣品的孔隙率隨著沉積溫度的升高而惡化。箭頭指向顯微照片中發(fā)現(xiàn)的收縮孔。面積分數(shù)表示顯微照片中含有收縮孔的百分比。(b)頂層重熔深度以下的縮孔在成品件中成為永久性的縮孔。(c) 393 K(左)和703 K(右)沉積溫度下的激光功率和掃描速度與孔隙率的關系圖。熔池深度表明了在沉積溫度從393K（左）升至703K（右）時，為保持恒定的幾何形狀所需的參數(shù)變化。

圖4. 凝固過程中不同的冷卻速率(Ṫ)、熱梯度(G)和Niyama標準( Ny )下對高于固相線溫度的熔池尾部的最大收縮孔深度的影響圖。

圖5. 傳導模式和匙孔模式下熔池橫截面圖。t0，t1，t2，t3表示凝固過程中凝固界面在不同時間步長的位置。在鑰匙孔模式熔池的示例顯微照片中，凝固生長方向發(fā)生了變化，相應的收縮孔的取向也發(fā)生了變化。

轉自：增材制造碩博聯(lián)盟

注：文章版權歸原作者所有，本文僅供交流學習之用，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理