通过辅助预热机制，研究铝铜合金激光粉末熔覆（L-PBF）过程中氢气诱导的孔洞形成与释放现象

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Understanding hydrogen-induced pore formation and release in Al-Cu alloy L-PBF process with auxiliary preheating

本研究系统考察了预热温度对L-PBF加工Al-2139合金氢致孔隙形成的影响，提出归一化焓作为综合评价参数，揭示熔池寿命延长促进孔隙生长，而高能量输入增强氢逸出，两者受控于归一化焓平衡。发现400℃以上预热导致孔隙率剧增，热处理后屈服现象消失，证实氢过饱和是孔隙形成和屈服点现象的主因。该框架为铝合金增材制造工艺优化提供了量化依据。

　　### 激光粉末床熔融（L-PBF）中的氢气孔形成与控制研究

在现代金属增材制造技术中，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，简称L-PBF）作为一种接近净成形（near-net-shape）工艺，因其能够制造具有复杂几何形状、高分辨率和精确微观结构控制的金属部件而受到广泛关注。特别是在航空航天和汽车工业中，高强度铝合金因其高比强度和优异的疲劳性能而被广泛使用。然而，L-PBF工艺涉及极端快速的热循环，冷却速率可达10? K/s，这可能导致内部残余应力、尺寸变形和加工稳定性问题，如鼓包和球化现象。

为了应对这些挑战，研究者们探索了多种策略，其中粉末床预热（preheat）被认为是一种有效的手段。预热可以通过减小温度梯度和残余应力，从而提高加工稳定性。然而，过度的预热可能会增加能量输入，进而促进氢气孔的形成，这对铝合金的性能具有负面影响。因此，如何在提升加工稳定性的同时，控制氢气孔的形成，成为研究的关键问题。

本研究聚焦于L-PBF过程中预热温度对氢气孔形成及演变的影响，采用了一种新的无量纲参数——归一化焓（normalized enthalpy），将激光能量输入、预热和材料特性的影响整合，从而实现对熔池寿命、气孔率和氢含量的定量评估。通过热力学计算和模拟，研究发现气孔率与熔池寿命的延长密切相关，而氢含量则随着能量输入的增加而减少，这表明气孔形成和氢逸出是由不同的机制控制的。

研究进一步揭示了氢气孔的形成机制。在铝合金的熔池冷却过程中，氢的溶解度迅速下降，导致氢气孔的形成。热脱附光谱（thermal desorption spectroscopy, TDS）证实了氢气在150–350°C范围内的释放，而扫描电子显微镜-电子通道对比成像（SEM-ECCI）则显示了与氢修饰滑移相关的堆垛层错束（stacking-fault bundles）。这些发现表明，氢在熔池中的行为不仅影响气孔的形成，还对材料的机械性能有显著影响。

此外，研究还探讨了氢气孔在加工后的热处理过程中的演变。在未加工状态下，观察到的屈服点现象（yield-point phenomenon）在热处理后显著减弱，这与氢的逸出和位错钉扎的减少有关。热处理过程中的局部高温可能促使氢从过饱和状态中逸出，进而改善材料的性能。

本研究通过系统分析预热温度对氢气孔形成的影响，提出了归一化焓作为统一指标，用于定量评估氢的行为和优化预热辅助的L-PBF工艺。这一方法为铝合金的增材制造提供了实用的工艺设计标准，特别是在调整关键参数如预热温度方面。通过这些研究，可以更有效地控制气孔缺陷，从而提升L-PBF工艺的可靠性和产品质量。