英国伦敦大学学院、英国国家科研与创新-哈韦尔研究中心、加拿大女王大学、格林尼治大学、美国阿贡同步辐射光源实验室、上海交通大学金属复合材料国家重点实验室、中国上海交通大学材料科学与工程学院的科研人员综述报道了3D打印领域取得重大突破：磁场显著减少孔隙缺陷研究进展。相关论文以“Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing”为题发表在《Science》上。
基于激光金属增材制造是一个复杂过程，该过程常常会因所谓的锁孔不稳定性而产生孔隙。研究人员试图通过高速X射线成像技术来探究磁场是如何影响这种孔隙的形成过程。他们发现，由热电效应驱动的流动，根据磁场方向的不同，既可以改善也可能恶化锁孔的形成情况。这些观察结果揭示了一种调节孔隙形成的方法，这对于控制合金的机械性能至关重要。
激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）过程中的锁孔不稳定性会导致锁孔塌陷和孔隙形成。科研人员利用高速X射线成像技术证明，锁孔后壁上由涡流引起的凸起是引发锁孔不稳定性的关键因素。施加横向磁场可以通过驱动二次热电磁流体动力学（TEMHD）流动来抑制锁孔不稳定性，这种流动会改变净涡流分布。这能将凸起和锁孔的大幅度振荡降至最低。抑制效果取决于激光扫描方向与磁场方向的相对关系，因为这控制着由塞贝克效应引起的洛伦兹力的方向。研究表明，在激光粉末床熔融的长度尺度下，电磁阻尼较弱，对于具有大塞贝克系数的合金，TEMHD成为控制锁孔后方流动的主要机制。
激光焊接与增材制造过程中锁孔不稳定性的磁调制—利用磁场减轻锁孔孔隙
利用先进光子源（APS）的32lD光束线处，通过高速同步加速器X射线成像技术，捕捉到了AlSi10Mg合金在激光熔化过程中锁孔塌陷的现象。本研究中使用的裸基板（尺寸为50毫米×10毫米，厚度0.8至1.1毫米）是AlSi10Mg合金。图1展示了用于施加磁场的X射线成像系统设置（图1A），以及获取的具有高空间分辨率（2μm）和高时间分辨率（140 kHz）的射线照片示例（图1B）。在进行零磁场实验时，移除了两个环形磁铁。当激光扫描方向是从右向左时，记为RL；施加磁场时记为RL-B；当扫描方向是从左向右时，记为LR；施加磁场时记为LR-B。结果表明，在RL-B扫描中施加约0.5T的横向磁场时，锁孔孔隙的总面积大幅减少了81%（图1C）。
配备两个环形磁铁的X射线成像系统，用于在激光熔化位置提供静磁场
有磁场和无磁场时锁孔形态的对比
有磁场和无磁场时的熔池流动情况
锁孔振荡的量化分析
磁场作用下且激光扫描方向反向时，AlSi7Mg合金的锁孔动力学过程和孔隙形成情况
通过在激光束的参考系中进行高速同步加速器X射线成像，证明了由熔池流动驱动的锁孔后壁上凸起的形成会引发不稳定性，进而导致锁孔塌陷。在对高硅铝合金（如AlSi10Mg）进行激光熔化时，在从右向左扫描（RL-B）的过程中施加0.5±0.1T的磁场，使锁孔孔隙率降低了81%。这种降低源于磁场因塞贝克效应改变了熔池流动，从而抑制了锁孔后壁上凸起的形成，而这种凸起是导致锁孔大幅振荡的主要原因。研究发现，由塞贝克效应引起的洛伦兹力的方向取决于激光扫描方向与磁场方向的相对关系；因此，对凸起的抑制仅在RL-B扫描条件下有效——在RL-B扫描中，锁孔底部得以最小化，而在LR-B扫描中则会增强。研究的无量纲分析表明，在低磁场条件（<1T）下的激光粉末床熔融（LPBF）过程中，利用电磁阻尼（EMD）来稳定锁孔振荡是不可行的，但增加塞贝克功率（例如，通过增加硅含量）可以激活热电（TE）力，从而形成一种可行的稳定机制。这项工作解决了长期以来关于静磁场对熔池动力学影响的相互矛盾的理论问题，表明在激光粉末床熔融中，由于其尺度比焊接中的尺度小得多，热电（TE）力主要控制着熔池流动，稳定了锁孔并防止了孔隙的产生。研究通过力的无量纲比值来总结科研人员的观察结果，指导在一系列增材制造（AM）和焊接工艺中应用磁控技术，这些工艺包括加工参数的变化以及预计塞贝克效应较大的材料，如功能梯度材料、双金属材料、复合材料、双相材料和其他材料。
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(审核编辑: 光光)
