铝合金激光粉末床熔融中的激光诱导钥匙孔重塑

《Additive Manufacturing》：Laser induced keyhole reshaping in laser powder bed fusion of aluminum alloy

粉末床激光熔融（PBF-LB）加工铝合金时易因关键孔失稳导致孔隙和飞溅，本研究提出脉冲-连续激光复合的激光关键孔重塑技术（LKRS-PBF-LB），通过脉冲激光诱导冲击波动态逆转关键孔壁压力，使关键孔直径从43μm增至58μm并稳定为“I”型，孔隙率降至0.14%，同时熔池流动增强和热梯度衰减促进晶粒细化，使抗拉强度提升59.6%且延展性提高至2%。

　　在现代制造业中，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB）技术因其在制造高精度金属部件方面的卓越性能而受到广泛关注。然而，这项技术在某些情况下，尤其是使用高能量激光处理铝基合金时，容易引发不稳定的关键孔（keyhole）动态，从而导致气孔的形成以及机械性能的下降。为了克服这一限制，研究人员提出了一种创新的激光关键孔重塑增强PBF-LB（Laser Keyhole Reshaping enhanced PBF-LB, LKRS-PBF-LB）策略，该策略通过结合脉冲激光和连续激光，实现对关键孔形态的稳定控制。

关键孔的形成是PBF-LB过程中一个重要的现象，其主要由激光照射导致的金属蒸发和反射压力驱动。通常情况下，关键孔具有深而窄的结构，这种结构容易造成能量分布不均，进一步加剧关键孔的不稳定性。在关键孔塌陷过程中，蒸汽的形成和被困气体导致了关键孔气孔的产生，这种缺陷严重影响了最终零件的性能，包括其疲劳寿命和抗拉强度。因此，如何有效抑制关键孔气孔，提升金属部件的性能，成为PBF-LB技术发展的关键挑战之一。

LKRS-PBF-LB技术的核心在于利用脉冲激光和连续激光的协同作用，通过动态调整关键孔壁的压力分布，来实现关键孔的稳定化。实验和计算分析表明，脉冲激光在关键孔壁上产生的周期性冲击波能够逆转压力动态，将原本向内的收缩力（如表面张力和糊状区拖曳力）转化为向外的扩展应力。这种力的转换不仅扩大了关键孔的直径（从43 μm增加到58 μm），还显著改善了关键孔的形状（从J形过渡为I形），从而将气孔率降低了十倍（从3.63%降至0.14%）。此外，关键孔的稳定化还能够有效抑制飞溅现象，这是因为在关键孔不稳定的情况下，蒸汽压力的波动会导致金属飞溅的发生。通过降低蒸汽压力的峰值，LKRS-PBF-LB技术能够减少飞溅的发生频率，提高成形质量。

除了关键孔的稳定化，LKRS-PBF-LB技术还对熔池的热和质量传输进行了优化。脉冲激光与连续激光的协同作用不仅改善了熔池的流动状态，还降低了热梯度，从而促进了柱状晶向等轴晶的转变，进一步细化晶粒结构。这种晶粒细化是提升金属部件机械性能的重要因素之一。实验结果显示，经过LKRS处理的样品在抗拉强度和延展性方面均得到了显著提升，抗拉强度提高了59.6%，延展性从0.78%增加到了2%。这些性能的提升主要归因于气孔的消除和晶粒的细化。

LKRS-PBF-LB技术的应用不仅限于此。在实验过程中，研究人员成功地打印了难以加工的Al-Zn-Mg-Cu铝基合金，验证了该技术在实际应用中的可行性。通过高分辨率高速摄像技术，研究人员观察到了两种加工方式（传统PBF-LB和LKRS-PBF-LB）在关键孔动态方面的显著差异。在传统PBF-LB过程中，由于关键孔的不稳定，大量飞溅颗粒被喷射出来，其形态通常保留原始粉末的形状，表明这些飞溅颗粒处于半熔化状态。而在LKRS-PBF-LB过程中，飞溅现象得到了有效抑制，这进一步证明了该技术在提高成形质量方面的优势。

从材料学角度来看，关键孔气孔的形成与金属熔融过程中的物理机制密切相关。在PBF-LB过程中，激光照射导致金属蒸发，而蒸发产生的蒸汽压力会形成关键孔。然而，这种压力的波动容易引发关键孔的不稳定，进而导致气孔的形成。通过LKRS-PBF-LB技术，研究人员能够主动控制关键孔的形态，使其在加工过程中保持稳定，从而减少气孔的产生。此外，该技术还能够通过优化熔池的热和质量传输，提高金属的微观结构质量，进一步提升其宏观性能。

在实际应用中，LKRS-PBF-LB技术具有广泛的前景。该技术不仅能够有效解决关键孔气孔的问题，还能够提高金属部件的强度和延展性，使其更适用于航空航天、汽车和先进工程等高要求领域。与传统的纳米颗粒添加、改变热源类型或使用外部磁场辅助等方法相比，LKRS-PBF-LB技术在不影响成形精度的前提下，实现了更高效的气孔抑制和性能提升。此外，该技术在工业规模化生产中也具有优势，因为它不需要额外的加工步骤或耗时较长的后处理过程，从而降低了生产成本和时间。

综上所述，LKRS-PBF-LB技术为PBF-LB在金属加工领域的应用提供了一种全新的解决方案。通过结合脉冲激光和连续激光，该技术能够有效稳定关键孔形态，减少气孔的产生，并提升金属部件的机械性能。这一创新方法不仅为解决关键孔气孔问题提供了新的思路，还为实现高性能金属部件的制造开辟了新的途径。未来，随着该技术的进一步优化和推广，它有望在更广泛的工业应用中发挥重要作用。