Zhao等人揭示了如图49所示的静态激光熔化情况下小孔气孔的形成 。 他们提出了高速同步x射线成像和衍射技术 ， 可用于现场和实时表征激光粉末床熔化过程 。 具体而言 ， 这些技术可用于以前所未有的空间和时间分辨率监测孔隙形成、相变和粉末喷射 。 例如 ， 他们发现形成小孔所需的时间小于50μs 。
图49 Ti-6Al-4V在固定激光束下激光粉末床熔合过程中小孔气孔形成的动态x射线图像 。
最近 ， Zhao等人详细研究了Ti-6Al-4V激光熔炼中的小孔孔隙率问题 。 他们发现 ， 如图50所示 ， 激光功率扫描速度空间中的小孔孔隙度边界光滑而尖锐 ， 在裸板和粉末层之间仅略有不同 。 在孔隙度边界附近 ， 他们发现了一种主要的机制 ， 用于在构造中形成小且通常为球形的孔隙 ， 如图51所示 。 锁孔的形成始于在前锁孔边缘的突出物顶部出现一个小锁孔（图51（a ， E）） 。 随着小孔的塌陷 ， 孔隙和微射流形成（图51（B ， C）） 。 然后 ， 高速微射流驱动孔隙的不对称塌陷、混沌分裂和快速反弹（图51（D ， F）） 。 在孔隙塌陷和回弹释放的声波以及前锁孔壁底部突起结构导致的局部反冲压力下降的帮助下 ， 锁孔尖端被重塑为一个窄的针状锁孔底部（图51（H）） 。 这种针状底部不稳定 ， 会快速钻孔和膨胀 ， 在熔池中产生声波（冲击波） 。 然后 ， 该波为小孔尖端附近的孔隙提供了一个额外但至关重要的驱动力 ， 使其迅速从小孔周围的大热梯度场中移出（图51（I）） 。 当孔隙被前进的凝固前沿捕获时 ， 它们会作为缺陷被捕获 。 如果声波没有足够的动能 ， 孔隙仍会留在小孔周围 ， 其运动主要由热毛细阻力和粘性阻力之间的竞争控制 。 最后 ， 热毛细力会将孔隙猛烈地拉入小孔中（图51（G）） 。 除了这一主要机制外 ， 在低功率水平上还存在一个次要机制 。 较大的小孔波动可以为凝固前沿固定孔隙创造足够的等待时间 。 在这个时间窗口内 ， 阻力可能会将孔从回缩锁孔中拉出 。 Zhao等人的工作不仅深入了解了增材制造相关条件下小孔的形成 ， 还指导AM用户优化工艺窗口和构建无孔零件 。
图50 小孔孔隙边界和粉末在Ti-6Al-4V激光熔炼中的作用 。 （A）激光功率扫描速度空间 。 浅黄色区域显示小孔孔隙率状态 ， 浅绿色区域显示稳定的熔化状态 ， 浅紫色区域显示粉末在激光粉末床熔合增材制造中的作用 。 添加粉末会增加不稳定性并扩大孔隙率范围 。 （B）在382 W的恒定激光功率和穿过孔隙度边界的不同扫描速度下的典型x射线图像 。 （顶部）粉末床样品 。 （底部）裸板样品 。 红色和蓝色虚线框图像对应扫描速度的相应边界 。
图51 小孔不稳定性声波驱动的小孔形成和运动 。 （A）小孔形成过程的MHz x射线图像 。 （B） X射线图像显示孔隙P0在微射流驱动下不均匀塌陷 。 （C和D）孔隙P0和微射流形貌的轮廓 。 （E）键孔深度d1和d2 。 （F）等效孔径Dp 。 （G）孔距最近锁孔壁的距离 。 （H）形成针状钥匙孔底部 。 （一）针状锁孔底部发出的声波引起的初始孔隙运动 。 L-V in（H和I）是指小孔或孔隙的液-汽界面 。 （J和K）小孔塌陷、回弹和运动的X射线图像 ， 对应于（E）中分别用洋红色和蓝色虚线矩形突出显示的两个事件 。
在分析熔池宽度的结果时 ， 可以进行许多观察 。 实验结果表明 ， 随着功率输入的增加 ， 熔池宽度的增加正在减少 ， 这对于蒸发模拟也是定性可见的 。 另一方面 ， 没有蒸发的结果根据线性趋势演变 。 然而 ， 这些结果与实验结果的定量一致性似乎比考虑蒸发时更好 。
在最大宽度点与（右）和不（左）考虑蒸发的模拟浴槽部分的比较 。 基板水平用虚线表示 。
在蒸发模拟的情况下 ， 递减的增加可能可以用有界温度和缺乏横向传热的综合事实来解释 。 由于假定材料在蒸发范围的较低温度下蒸发并离开系统 ， 因此样品中的温度永远不会高于该温度 。 这一事实需要与以下事实联系起来：为了在横向方向上熔化更多的材料 ， 需要在这个方向上传热 。 该模型中唯一可用的机制是传导传热 。 由于粉末的导电性有限 ， 并且由于熔池温度有限而导致的温度梯度有限 ， 这种传热似乎不足以在较高功率输入下遵循实验结果 。 然而 ， 在标准情况下为40 W时 ， 结果与观测结果令人满意 。
在没有蒸发的情况下 ， 液浴的温度不受蒸发温度的限制 。 这导致液池显着过热 ， 从而改善横向传热 。 这导致浴槽宽度大于蒸发宽度 ， 并且与实验观察结果更接近 。 然而 ， 应该注意的是 ， 即使在40 W时 ， 过热也会变得非物理 。 仿真中的最高温度分别为 3937、6935、9916 和 12730 °C ， 分别为 20、40、60 和 80 W 。 这些温度不太可能在没有材料蒸发的情况下实际发生 。
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