清华Rev. Mod. Phys.综述: 阐述金属激光增材制造关键机理

2022-10-31 03:10

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金属增材制造，俗称金属3D打印，是金属材料快速成形技术的工业化应用。相比传统的减材制造和等材制造，金属增材制造可提供极大的设计自由度和制造能力，实现多尺度、多材料、多功能的优化和集成。同时，金属增材制造可以极大地缩短供应链，这对于应对全球供应链断链危机至关重要。其实地、按需的制造能力可以大幅增强经济和社会的弹性和可持续性。因此在过去的三十多年中，金属增材制造技术快速发展，正深刻变革着航空航天、汽车、国防、化工、医药、能源等领域。

在众多的金属增材制造技术中，激光粉末床熔融增材制造（亦被称作激光选区熔化，图1）是当前最广泛使用的技术之一。在一个典型的制造过程中，基于一个离散化的三维数字模型，高功率激光快速扫过一层金属粉末颗粒（厚度一般为几十到一百微米），有选择性地将粉末颗粒熔化和融合。由于较小的激光束斑尺寸和粉末颗粒尺寸以及相应较小的熔池尺寸，激光粉末床熔融增材制造可以提供更高的尺寸精度，在制造复杂特征和结构方面具有更高的灵活性。另一方面，较小的熔池尺寸以及快速的激光扫描可以产生高冷却速率（比如10⁶ 摄氏度每秒），进而获得高凝固速率，为细化晶粒、研发具有非平衡相组织和优异性能的新材料提供了新的机遇与途径。此外，激光粉末床熔融增材制造自身的数控特性允许在构件制造的过程中灵活地调控制造工艺。

图1 金属激光粉末床熔融增材制造示意图

图源：科普文章《从哈利·波特到3D打印》，收录于科普读物《走进前沿新材料3》，由化学工业出版社于2022年出版

近日，清华大学机械工程系赵沧、都东及合作者在国际物理学界权威期刊 Reviews of Modern Physics上发表了关于金属激光增材制造激光熔化模式的综述论文，题为“Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing”。

激光粉末床熔融增材制造可以视作小尺度激光焊接的延伸，这意味着它同样面对热裂纹、显著残余应力等局限性。同时，获得的微观结构迥异于通过传统方法产生的，比如胞状结构、高位错密度、过饱和固溶体、纳米析出、非平衡相、不规整的晶粒结构等。这些微观结构有些是有利的，有些会恶化构件的服役性能。对于一些合金，构件的致密度可以达到99.5%，但是复杂的激光和粉末颗粒条件可能会产生缺陷或异常，比如熔池涨落、气孔、裂纹等。这是激光粉末床熔融增材制造行业目前面对的瓶颈问题之一。为了制造出无缺陷、微观结构可控的构件，我们需要获得对激光-物质相互作用以及激光熔化模式更为深刻、全面的理解。

在激光粉末床熔融增材制造中，激光熔化模式是最基本的概念之一。激光制造中极端复杂的热力条件创造出诸多高度动态的物理现象，比如汽化和反冲、马兰戈尼对流、匙孔界面失稳等。这些现象过于复杂，不适用于实际的生产需要。因此，往往采用激光熔化模式作为构件打印的指导原则。随着局域温度的提高，熔化模式从传导过渡到匙孔模式。这些模式的指定忽略了激光-物质相互作用的细节，但是在很多场合足以决定构件最终的微观结构和性能。但是，迄今为止，由于在熔池和匙孔表征测量手段方面的历史局限性，激光熔化模式的定义仍然很模糊，尚未达成共识。

图2 金属激光增材制造中的熔化模式

(a) 熔化模式定义的物理基础；(b)-(c) 基于静态剖析的定义；(d) 基于动态过程的定义

在这篇综述论文中，作者首先阐述了金属激光粉末床熔融增材制造中的一般物理过程，着重强调了两个关键耦合现象：熔化和汽化，匙孔前壁液态突出物和匙孔失稳。这些物理现象驱动了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定义的基石。之后，根据熔池和匙孔的表征测量方法，作者将激光熔化模式分为两类（图2）。第一类基于静态的事后金相剖析，而第二类基于原位、动态的过程可视化。相比而言，基于过程可视化的定义更加严谨、更具物理意义，为金属激光粉末床熔融增材制造提供了新的生产指导原则和新的研究方向。作者强调了匙孔的重要性，并指出基于稳态匙孔熔化模式的增材制造更加高效、稳健、可持续。而这个设想的实现将依赖于多物理模型、多信息转录（图3）以及跨平台跨尺度过程计量的发展。

图3 多信息转录与知识转移

清华大学机械工程系助理教授赵沧为该论文的独立第一作者和独立通讯作者。作者还包括清华大学机械工程系教授都东、2021级博士研究生师博、2019级本科生陈帅雷，美国弗吉尼亚大学副教授孙韬、国家标准与技术研究院研究员布莱恩·西蒙茨（Brian Simonds）、阿贡国家实验室研究员卡迈勒·费扎（Kamel Fezzaa）和卡内基梅隆大学教授安东尼·罗莱特（Anthony Rollett）。该项工作得到了国家自然科学基金、清华大学-帝国理工学院科研创新种子基金、清华大学人才引进经费等的资助。

论文信息：

Cang Zhao, Bo Shi, Shuailei Chen, Dong Du, Tao Sun, Brian J. Simonds, Kamel Fezzaa, and Anthony D. Rollett, Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing. Reviews of Modern Physics 94, 045002 (2022).

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.045002

作者简介：

赵沧，河南许昌人，清华大学助理教授、博士生导师，九三学社社员，于2022年秋成立3D打印未来小组（图4）。2009年本科毕业于北京科技大学材料科学与工程专业，2011年硕士毕业于中国科学技术大学凝聚态物理专业，2015年博士毕业于美国加州大学圣地亚哥分校结构工程专业，2016年至2019年在美国阿贡国家实验室从事博士后研究。主要研究方向为金属增材制造的关键机理及其应用。入职清华大学以来，代表性论文发表在《Reviews of Modern Physics》、《Science》、《科学通报》等期刊上。入职之前，代表性论文发表在《Science》、《Physical Review X》、《Physical Review Letters》等期刊上。曾获中国科学院院长优秀奖、美国阿贡国家实验室博士后杰出贡献奖、2021年中国科技新锐人物突出成就奖、国际先进材料学会青年科学家奖等。

图4 3D打印未来小组合影

（小组成立于2022年秋，植根于金属激光增材制造基础研究，服务于国家国防重大需求；从右起：师博、杨源祺、邵文洁、赵沧、李超科、陈帅雷、祝源铎）

期刊简介：

《现代物理评论》创刊于1929年，是国际物理学界最权威的综述性期刊，每年发表三十至四十篇学术论文，包括诺贝尔物理学奖演讲。该期刊旨在对当今物理研究的重大热点问题作历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。此论文是清华大学在该期刊首篇以第一完成单位、唯一通讯单位发表的论文，是中国制造领域和冶金领域在该期刊发表的首篇论文，也是国际增材制造领域在该期刊发表的首篇论文。

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