悬垂条件下激光粉末床熔融中球化行为与孔隙演化的原位同步辐射高速X射线成像研究

针对激光粉末床熔融(LPBF)悬垂结构中缺陷形成机制不明的难题，上海同步辐射光源团队通过原位高速X射线成像技术，首次揭示了Fe-Cu合金粉末在悬垂构建时球化液滴的熔融度差异驱动机制，提出"液相烧结(LPS)机制"主导孔隙形成，并建立孔隙逃逸爆破模型，为优化增材制造工艺提供理论依据。

　　

在金属增材制造领域，激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能实现复杂构件的一体成型，但悬垂结构（overhang）的缺陷问题始终是制约其工业应用的瓶颈。与传统逐层构建不同，悬垂结构直接在厚粉末床上熔融成型，由于缺乏固体基板的导热支撑，常出现球化(balling)和孔隙(pores)等缺陷。这些缺陷会显著降低零件的力学性能和导电性，尤其对Fe-Cu这类兼具铁基强度与铜基导电特性的功能材料影响更大。然而，现有研究多聚焦于工艺参数调控，对缺陷动态演变的原位观测仍属空白，这正是上海同步辐射装置团队开展本研究的出发点。

研究团队在《Journal of Materials Science》发表的工作中，创新性地采用同步辐射高速X射线成像系统（BL16U2光束线），构建了激光增材制造过程复现装置(LAMPR)，以50wt.%Fe-Cu混合粉末为研究对象，首次实现了悬垂条件下熔池动态的原位捕捉。关键技术包括：1）毫秒级时间分辨率的X射线相位衬度成像；2）真空环境下的激光参数精确调控；3）基于图像序列的熔池三维重构。通过分析超过1000帧连续影像，揭示了从粉末熔融到缺陷形成的全过程。

全视野熔池演化观察
研究发现，Fe-Cu熔体展现出独特的"自蔓延"特性：初始熔池前沿以2.4m/s速度推进时，未熔粉末会通过液相烧结(LPS)机制形成微米级孔隙。当激光扫描至粉末层边缘时，熔池表面张力突变导致接触角从70°骤增至110°，这是诱发球化的关键转折点。

球化行为机制
区别于传统认知的工艺参数主导理论，研究提出"熔融度梯度驱动"新机制：粉末床不同区域存在高达300K的温度差，使得低熔点Cu相（1083°C）先于Fe相（1538°C）熔化，形成Marangoni对流涡旋。这种非平衡态凝固导致熔池断裂为离散液滴，其直径分布符合Rosin-Rammler方程，特征尺寸为85±12μm。

孔隙动态与逃逸模型
首次观察到LPS机制产生的孔隙呈现"气泡串"结构，其生长速率达150μm³/ms。建立的孔隙逃逸爆破模型表明：当孔隙半径r>临界值r_c=0.38γ/ΔP（γ为表面张力，ΔP为内外压差）时，会通过界面失稳方式逃逸。相邻孔隙间距小于3倍半径时会产生流体干涉效应，使逃逸效率降低42%。

熔池稳定性分析
发现孔隙聚集会导致熔池自由能增加17%，诱发表面波动幅度达±25μm。这种扰动会反馈影响激光能量吸收率，形成"孔隙-熔池"耦合振荡现象，这是悬垂结构表面粗糙度恶化的根本原因。

该研究不仅阐明了悬垂结构缺陷的形成物理机制，更提出了三项工艺优化准则：1）采用梯度预热策略消除熔融度差异；2）控制扫描路径使孔隙逃逸方向与重力场一致；3）通过成分设计调整熔体γ/η比值（表面张力/粘度）。这些发现为航空航天领域复杂构件的无损成型提供了理论支撑，特别是对电磁屏蔽件等Fe-Cu合金功能器件的性能提升具有指导意义。研究建立的动态观测方法学框架，亦可推广至其他难混溶合金体系的增材制造研究。