Science頂刊：原位激光金屬3D打印機，助力同步輻射技術研究匙孔取得突破

南極熊導讀：原位激光金屬3D打印設備在同步輻射技術研究匙孔中大放異彩，不斷助力科學家取得突破。

2025年第二篇增材制造相關Science頂刊論文，再次聚焦同步輻射技術研究匙孔

在增材制造技術研究中，匙孔效應的形成機理與演化規(guī)律一直是制約工藝優(yōu)化和質量控制的關鍵科學問題。2025年2月英美加中四個國家科研單位使用高速同步輻射X射線成像技術合作完成的“激光焊接與增材制造過程中匙孔不穩(wěn)定性的磁調控”的文章發(fā)表在Science雜志上，由倫敦大學機械工程學院材料、結構與制造研究組(MSMaH)主導。倫敦大學學院(UCL)和哈韋爾研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范賢強)博士為第一作者。
該研究發(fā)現(xiàn)：實驗觀察到特定磁場下匙孔穩(wěn)定性極大提高，孔洞面積減少80%；提出新方法定量化匙孔震蕩并給出了深入的機理解釋；通過無量綱分析給出了加工參數(shù)選取以及材料設計方面的指導。

孔洞的產生源于一種稱為“匙孔不穩(wěn)定性”的過程。打印中使用的激光功率可超過200 W，聚焦到約50微米大小的光斑，照射在粉末表面。強烈的加熱導致局部沸騰，形成金屬蒸汽，蒸汽向下推入粉末中，形成一個凹陷區(qū)域，稱為“匙孔”。匙孔并不穩(wěn)定，它以快于1毫秒的速度振蕩。同時激光掃描過程會導致巨大的溫度梯度，范圍從金屬合金的熔化溫度到蒸發(fā)溫度（鋁合金約為3000°C）。液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，以最小化自由能，該流動通常稱為馬蘭戈尼流動。匙孔后壁上的流動使其比前壁更容易受到波動和坍塌的影響。當激光以大約1米/秒的速度掃描粉末床時，強烈的熔體流動會使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能會斷裂并形成氣泡，最終成為零件中的孔隙。研究團隊發(fā)現(xiàn)，如果磁場的方向與激光移動的方向垂直，熔池中引入的洛倫茲力足以改變流動，從而抑制匙孔振蕩，鎖孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不會斷裂形成孔隙。正確施加磁場后，孔隙面積減少了80%以上，且剩余的孔隙更小。

△圖 1 施加磁場前后匙孔形貌對比以及孔洞缺陷情況對比

然而，施加磁場會同時激活電磁阻尼（EMD）和熱電洛倫茲力，后者驅動的流動稱為熱電磁流體（TEMHD）。這項研究解決了一個長期存在的爭議，即哪種機制（EMD或TEMHD）負責穩(wěn)定匙孔，由于增材制造過程的微小熔池尺度，研究證明TEMHD效應起了主導作用。為了觀察這一過程，研究人員使用了APS的32-ID光束線，這是唯一能夠提供足夠通量以滿足所需成像速率的X射線源。為了捕捉發(fā)生在1毫秒內的匙孔振蕩，必須以每秒超過10萬幀的速度獲取圖像。團隊在光束線上改裝了一臺定制的3D打印機，設置了一個可以在激光下快速移動的樣品床，并填充了AlSi10Mg粉末，這是一種由鋁、硅和鎂組成的輕質合金，其中高硅含量為系統(tǒng)增加了類似半導體的特性。研究人員開發(fā)了一系列的圖像處理方法，提出了基于圖像處理的定量化匙孔震蕩的新方法。

△圖 2（A-C）匙孔震蕩定量化方法和結果，（D，E）不同掃描方向條件下熔池內部流動的可視化結果對比，兩者均為施加相同磁場情況。

資料來源：Science+1 |磁場顯著減少3D打印隙缺缺陷，特種材料研究所參與研究 - 上海交通大學材料科學與工程學院

云耀深維光源系列設備
為實現(xiàn)高速同步輻射技術對增材制造過程中匙孔動態(tài)行為的原位觀測，國內外學者與研究團隊正致力于開發(fā)專用的3D打印實驗裝置。這類設備需要滿足以下核心要求：（1）與同步輻射光源兼容的開放式結構設計；（2）耐高溫觀測窗口與精密運動控制系統(tǒng)；（3）毫秒級時間分辨率與微米級空間分辨率的協(xié)同實現(xiàn)；（4）多物理場（溫度場/流場/應力場）同步監(jiān)測能力；（5）完成透射、衍射等不同角度的觀測需求。

針對以上高速同步輻射X射線成像增材制造相關研究的特殊需求，云耀深維整合跨學科技術優(yōu)勢，成功開發(fā)出第二代同步輻射兼容型金屬增材制造原位觀測設備（型號：PHOTON-40），該設備主要優(yōu)勢：

完整SLM系統(tǒng)，原位研究定制

• 同步輻射下實現(xiàn)打印真實過程（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風場、Z軸運動裝置等）
• 透射、衍射需求靈活滿足-可傾斜打印，適配多種角度
• 超高溫預熱-500/700度高溫可選
• 深度開放參數(shù)-打印過程實時調整
• 一機多用：可隨時更換為常規(guī)打印系統(tǒng)；
  

云耀深維自主研發(fā)的光源40設備為同步輻射原位研究定制，配置完整的全套SLM系統(tǒng)（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風場、Z軸運動裝置、500/700度高溫預熱等），完成上百層至數(shù)千層的真實鋪粉及打印，助力研發(fā)人員在真實的金屬打印過程中完成更精確的數(shù)據(jù)收集。同時光源系列更配置了靈活的高度調節(jié)及角度旋轉系統(tǒng)，還可以傾斜打印，可以同時滿足透射及衍射實驗的需求。助力科研團隊使用同步輻射原位技術探索增材制造微尺度形性演變機理，監(jiān)測打印過程中的熔池及晶體結構變化，實現(xiàn)原位表征與分析。

不僅如此，光源系列更配置了獨立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，客戶可一機多用，隨時更換為常規(guī)打印腔室，滿足各種力學性能試樣及小型部件的打印需求。為更好地滿足研發(fā)需求，該系列還配置了開放的工藝參數(shù)系統(tǒng)，使用戶可自由選擇及調節(jié)激光的路徑規(guī)劃，打印策略，掃描參數(shù)等工藝參數(shù)。用戶可自行建立cli文件，自定義輪廓與不同類別填充的掃描參數(shù)及路徑策略，自由設置出光延時，掃描延時，增旋轉角度，隨機掃描策略等。

交付報告
云耀深維為客戶在上海同步輻射光源（SSRF）站點原位研究定制的光源40設備順利交付。該光源型號配備了完整的全套SLM系統(tǒng)的同時更配置了獨立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，其優(yōu)異的設計及卓越的性能得到了客戶的高度肯定。

原位其他相關研究
2020年11月27日，清華大學機械工程系助理教授趙滄作為獨立第一作者和共同通訊作者在Science（《科學》）上以“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”（激光加熱中匙孔根部的臨界失穩(wěn)產生氣泡缺陷）為題發(fā)表了關于金屬激光3D打印的最新成果。該項研究起于宏觀工藝，立于微觀細節(jié)。宏觀層面上，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩(wěn)有關；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔、并被凝固前端捕捉。

圖3. 關于匙孔氣泡區(qū)邊界和氣泡缺陷起源的藝術插圖。左側，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡區(qū)邊界清晰而平滑。右側，在該邊界附近，匙孔根部的臨界失穩(wěn)釋放出聲波（沖擊波），進而驅動氣泡快速遠離匙孔。當氣泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插圖設計者：清華大學馮葉；版權所有者：清華大學趙滄）

△圖4. 匙孔氣泡與微流噴射。匙孔前后壁的碰撞產生氣泡和微流噴射。微流噴射隨后促進氣泡形貌的演化。在這個過程中，氣泡懸浮于熔池中，幾乎靜止。（經許可轉載自C Zhao et al., SCIENCE, Nov 27 2020）

資料來源：機械工程系助理教授趙滄及其合作者在《科學》發(fā)表論文揭示金屬3D打印中匙孔氣泡缺陷的起源-清華大學機械工程系