上海交通大學凝固科學與技術(shù)研究所：在激光增材制造原位研究領(lǐng)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(lǐng)域取得了重要進展，相關(guān)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(shù)，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(diào)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(guān)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(shù)快速實現(xiàn)三維復雜幾何形狀和大尺寸組件的高質(zhì)量制造，并且能夠制備微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)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(lǐng)域具有重要應(yīng)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(guān)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(chǔ)科學問題對于減少甚至消除孔隙至關(guān)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(shù)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(shù)，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(diào)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(zhì)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(guān)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(shù)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(diào)壓鑄造和激光增材制造方面，具備國內(nèi)領(lǐng)先的首臺套工業(yè)級設(shè)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(guān)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(diào)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）。