金屬激光增材制造關鍵機理綜述
在過去的三十多年中,金屬增材制造技術(俗稱金屬3D打印)快速發(fā)展,對航空航天、汽車、國防、化工、醫(yī)藥、能源等領域產生了深刻變革。激光粉末床熔融增材制造(亦被稱作激光選區(qū)熔化)是其中最廣泛使用的技術之一。然而,迄今為止,學術界對激光-物質相互作用的認識還不夠深刻,對激光熔化模式的定義仍然很模糊、尚未達成共識。這使得制造無缺陷、微觀結構可控的構件仍有困難,限制了激光粉末床熔融增材制造行業(yè)的進一步突破。 ![]() 圖1.金屬激光增材制造中的熔化模式 (a)熔化模式定義的物理基礎;(b)-(c)基于靜態(tài)剖析的定義;(d)基于動態(tài)過程的定義 近日,清華大學機械工程系趙滄助理教授在國際物理學界權威期刊《現(xiàn)代物理評論》(Reviews of Modern Physics)上發(fā)表了綜述論文“金屬激光增材制造中的激光熔化模式”(Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing)。作者首先闡述了金屬激光粉末床熔融增材制造中的一般物理過程,著重強調了兩個關鍵耦合現(xiàn)象:熔化和汽化,匙孔前壁液態(tài)突出物和匙孔失穩(wěn)。這些物理現(xiàn)象驅動了熔池和匙孔的形貌演化,是激光熔化模式定義的基石。之后,根據(jù)熔池和匙孔的表征測量方法,作者將激光熔化模式分為兩類(圖1)。第一類基于靜態(tài)的事后金相剖析,而第二類基于原位、動態(tài)的過程可視化。相比而言,基于過程可視化的定義更加嚴謹、更具物理意義,為金屬激光粉末床熔融增材制造提供了新的生產指導原則和新的研究方向。作者強調了匙孔的重要性,并指出基于穩(wěn)態(tài)匙孔熔化模式的增材制造更加高效、可持續(xù)、穩(wěn)健。而這個設想的實現(xiàn)將依賴于多物理模型、多信息轉錄(圖2)以及跨平臺跨尺度過程計量的發(fā)展。 |