金属增材制造中小孔形成机理研究

为揭示小孔形成的机理，新加坡国立大学机械工程系闫文涛教授团队采用多物理场热流体流动模型，通过传热、熔池流、马兰戈尼效应、金属蒸发反冲压力、达西定律和激光光线追踪等手段，模拟了锁孔波动和锁孔形成过程。根据X射线成像结果验证了瞬间气泡形成和凝固前沿的模拟结果，分析了激光扫描速度增加对锁孔深度波动、吸收能量分布、锁孔大小、熔池流量和力的变化趋势，以解释其机理和影响。还探索了通过模拟近真空环境压力下的熔池流动来减少甚至消除小孔的方法。相关研究以Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing为题发表在Computational Materials上。

小孔形成过程有两个不同的阶段：瞬间气泡形成和在凝固前段钉扎。在凝固前沿的气泡钉扎过程中，瞬间气泡下方的高流速会产生垂直阻力，阻碍气泡上浮到熔池表面，气泡最终被凝固前沿捕获，形成小孔。锁孔表面不均匀分布的反冲压力增加了锁孔塌陷形成锁孔的可能性。

小孔孔径对制造参数很敏感。随着激光扫描速度的略微增加，小孔孔径显著减小，小孔形状变为球形，水平分布在熔池底部。此外，小孔波动和能量吸收率变化的特征可以作为预测小孔形成可能性的标准。低环境压力是减少甚至消除小孔形成的可行方法。与普通环境压力相比，低环境下后锁孔壁的反冲压力更大，并保持了稳定的锁孔形状。