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技術(shù)前沿

金屬激光粉末床熔融增材制造的激光熔化機理

激光制造網(wǎng) 來源:焊接設(shè)備分會2025-12-20 我要評論(0 )   

在過去的三十多年中,金屬增材制造技術(shù)(俗稱金屬3D打?。┛焖侔l(fā)展,正深刻變革著航空航天、汽車、國防、化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。激光粉末床熔融增材制造(亦被稱作激...

     在過去的三十多年中,金屬增材制造技術(shù)(俗稱金屬3D打?。┛焖侔l(fā)展,正深刻變革著航空航天、汽車、國防、化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。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(shù)之一。然而,迄今為止,學(xué)術(shù)界對激光-物質(zhì)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(jié)構(gòu)可控的構(gòu)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。


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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(chǔ);(b)-(c)基于靜態(tài)剖析的定義;(d)基于動態(tài)過程的定義

      清華大學(xué)機械工程系研究人員在國際物理學(xué)界權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》(Reviews of Modern Physics)上發(fā)表了關(guān)于金屬激光增材制造激光熔化模式的綜述論文(Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing)。


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圖2 金屬粉末激光熔化物理過程


      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(diào)了兩個關(guān)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(qū)動了熔池和匙孔的形貌演化,是激光熔化模式定義的基石。


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圖3 基于打印件金相分析熔化模式


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圖4 基于過程可視化研究熔化模式


      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(chǎn)指導(dǎo)原則和新的研究方向。


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圖5 多信息轉(zhuǎn)錄與知識轉(zhuǎn)移


      作者強調(diào)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(shè)想的實現(xiàn)將依賴于多物理模型、多信息轉(zhuǎn)錄(如圖5)以及跨平臺跨尺度過程計量的發(fā)展。


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圖6 金屬激光粉末床熔合工藝圖示意圖


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圖7 激光熔化的同步x射線成像


信息來源:增材制造碩博聯(lián)盟


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