伦敦大学《Nature》子期刊：激光添加剂制造中的锁孔波动和孔形成机制(Inconel 718高强度镍铬合金 应用 成分)

导读目录：

1、伦敦大学《Nature》子期刊：激光添加剂制造中的锁孔波动和孔形成机制

2、Inconel 718高强度镍铬合金 应用 成分

伦敦大学《Nature》子期刊：激光添加剂制造中的锁孔波动和孔形成机制

链接：，图4 锁孔诱导气泡动力学的跟踪和建模 a 和高 b 在激光扫描速度下，关键孔和气泡的彩色地图跟踪分别对应于方案 （III） 和 （II）。

模拟的气泡尺寸变化和低 c 和高 d 激光扫描速度，气泡尺寸误差计算为 ±2 像素（1.96 μm/像，相当于分割不确定性。请注意，气泡在后期分为两个小气泡。

等效直径是基础（c）估计其总面积，X 时间分辨率(20 μs）因此，我们无法获得足够的数据并充分验证气泡生长模型，e 与气泡迁移距离及其初始形成位置相比，气泡迁移距离误差是基于有限的相机曝光时间(2.5.低激光扫描速度 0.8 m/s。

高扫描速度 1.2 m/s，激光功率 500 W，时间 0 当设置为**个气泡时，本文揭示了锁孔的寿命动态（生长、收缩、迁移和凝固，并引入了一个阈值，即一体化焓积，以揭示和澄清不同的小孔生成机制 LPBF 的稳。

我们对钥匙孔波动和气泡动力学的研究结果提供了关键，即气泡生长/收缩率、孔隙位置和尺寸关键。 LPBF 机器或混合 LPBF6.伦敦大学通过广泛的高能束加工技术(如电子束)实时抑制孔隙Yuze Huang 和Peter D，Lee商用铝合金等人 Al7A77（美国 HRL。

铝合金在航空航天、生物医学和汽车工业中有着重要的应用，在近红外光谱中激光反射率高，挑战了激光加工 LPBF 稳定性被发现 （I） 和不稳定 ，其中，锁孔形状从 II 中宽和浅变为 III 中的，在 II 还观察到孔的形成，后锁孔壁主要存在 （RKW），锁孔孔隙率在 III 比较常见。

孔通常形成在锁孔形成。虽然一些以前的工作表明锁孔波动在很大程度上是随机的，但我们观察到锁孔宽度和深度的定期振荡，在三个锁孔状态下有明显的趋势波动频率。我们发现这些状态是由前锁孔壁组成的 （FKW） 对于不同的材料，角度很好。

将气泡模型与实验数据进行比较，发现气泡动力学是由压力平衡引起的快速初始增长，然后是金属蒸汽冷凝引起的收缩。

氢气可能会扩散到气泡中，减缓气泡收缩，稳定气泡大小。更后，研究了气泡与促进凝固前沿相互作用时的快速变形。Keyhole fluctuat，几个过程模型解释了激光焊接和

以及对气泡运动的重力、阻力和浮力的竞争影响和热毛细，更近，原位同步加速器 X 已应用于射线成像 LPBF，在熔池亚表面捕捉小孔和小孔的动态，包括：小孔形态的演变。

通过热毛细力消除光栅扫描过程中转折点处的孔隙，Marangoni 在孔隙迁移和孔隙聚集的驱动下，小孔坍塌的声波将孔隙从小孔**推开，以及多层 LPBF然而，在被固化前沿捕获之前，锁孔形成的动力学还没有完全理解。

关键孔波动在关键孔坍塌和气泡演化（如形成、生长、收缩和迁移）中的作用尚未在很大程度上得到。对于后者，先前的研究讨论了蒸发和冷凝对过热液体中水蒸气泡的影响，以及溶解气体扩散对铸件中气泡生长的影响。

但蒸发、蒸汽冷凝和溶解气体扩散的影响尚不清楚 LPB，此外，本文阐述了锁孔的形成过程，包括熔池中气泡的寿命动力学，其特点是三个阶段(图 3):(1)快速压力驱动生长。

(2)金属收缩蒸散，金属收缩蒸气冷凝减慢，以及 （3） 此外，它还与凝固微结构(如蜂窝状枝晶)相互作用，并被前进的凝固前沿捕获。

我们提出了气泡生长和收缩的模型(图 4)，包括压力驱动生长、蒸汽冷凝和氢扩散的物理特性，发现该模型与实验数据一致，支持我们的假设:（i）(1)早期爆炸性气泡，其中气泡体积膨胀接近~t3，（ii）在稳定阶段(2)中冷凝后期，氢扩散足够高，LPBF 激光通量足以蒸发金属。

产生反冲压力，将熔融金属推冲压力足以打开互作用区。随着激光能量密度的增加，反冲压力足以打开一个深、高垂直、水平比的蒸汽凹陷，称为锁孔，通常用于激光焊接，以实现薄而深的接头。

LPBF 通常以锁孔模式熔化，以确保连续层之间的完全融合。此外，由于激光束沿锁孔的多次反射，钥匙孔熔化中的激光吸收率显著提高 LPBF 例如，制造高反射材料。

反射率约为 91% 铝基复合材料)打开大门，或实现更经济的用途 LPBF 激光热源（例如，锁孔受轴向波动和径向扰动的影响，由能量和压力的平衡控制，对锁孔不稳定构成重大风险。

在某些情况下，锁孔坍塌通常会导致熔池中的气泡，气泡可能被固化前沿截留，形成孔隙，更终部件中的孔可能作为应力集中器和裂纹，可能对疲劳寿命和其他更终部件的机械性能有害，在本研究中，铝合金 Al7A77 的 LPBF 同步加原位，Ti-6Al-4V、Inconel 718、SS 。

我们发现了稳定性 （I） 和不稳定 （III） 锁眼，这种过渡状态 （II） 对于具有大 AED （AE，如图 1 所示蒸汽抑制处于状态 （II） 它变得不稳定，随机坍塌，在后锁孔壁 （RKW） 中间产生孔隙。

而不是状态 （III） 锁孔底部是传统观察到的孔形成位置。我们还观察到锁孔在不同锁孔状态下的波动频率（径向和轴向，其中更快的波动发生在过渡状态（II）中，约为 10 kHz（图 根据观察。

我们是前锁孔壁 （FKW） 角开发了一种材料和机器，它折叠成一个单一的函数(图 1b），这种关系为预测不同合金和加工条件(如激光斑的尺寸、激光、图3)提供了无量的纲阈值 LPBF 锁孔气泡寿命动态，激光扫描速度 1 m/s 和激光功率 500 W，a 和 b 分别是 Al7A77 粉末和裸铝板 ，c 和 d 在有(实线)和没有(虚线)分别显示A。

气泡大小误差计算为 ±2 像素（1.96 μm/像，相当于分割的不确定性，粉末和裸板的总跟踪气泡数分别为 5 和 8(使用的标准是识别气泡的更小帧数 6，时间 t0 设置为**次识别气泡(注意，在 c 和 d 中。

t0 设置为 t0 = 0)显示黑色虚线圈 c 初始气泡在中间生长，a 和 b 感兴趣的气泡分别为绿色和淡紫色，对应 c 颜色相同，Vap。

蒸气、Ar 氩、H2 所有比例尺对应氢 100 μm，图2 LPBF 中锁孔动力学，a 与平均锁孔宽度相比，激光扫描速度为 1.6 m/s和 0.8 m/s（底部。

红色)，使用标记大小和示例 X 射线照片（1a、b，2a、b）突出检测到的峰/谷，小孔宽度 b 和深度 c 中连续峰/谷之间的平均周，虚线为平滑样条拟合。

d 面积孔隙率与无粉末的百分比，误差线代表标准偏差，激光粉末床熔化 （LPBF） 在工业界，增材制造正在进行中 LPBF 中等功率(~ 100–1000 W）但是紧密聚焦(光。

选择性建完全致密的部分，选择性地熔化和巩固粉末，LPBF 典型的加工结构-性能联系是：高热梯度和高，导致强度增加、延展性降低和微观增加。简介：锁孔孔隙率为激光粉末床熔化 （LPBF） 部件的疲劳寿命可能劳寿命。

但部分锁孔孔的形成机制尚不清楚，如锁孔波动、塌陷、气泡生长和收缩等，研究结果表明，（i）锁孔的孔隙度不仅可以处于不稳定状态，还可以处于高激光功率条件下产生的过渡锁孔状态，导致快速径向锁孔波动(2.5-10 kHz）。

（ii） 后壁部分经常发生过渡机制坍塌，（iii） 锁孔塌陷后，由于压力平衡，气泡迅速生长，然后由于金属蒸汽冷凝而收缩。

氢气扩散到气泡中会减缓收缩，稳定气泡尺寸。这里揭示的锁孔波动和气泡进化机制可能会引导控制系统更大限度地降低孔隙率。 LPBF锁孔坍塌机制及相关锁孔熔化状态，a 在不同的激光扫描速度下，（I）准稳定、（II）过渡和（III）锁不稳定。

锁孔形状由宽、浅、窄、深变化，b 前锁孔壁 （FKW） 角作为归一化焓积的函数，用于 9 数据集有四种不同的材料，c 在 （II） 过渡时用裸铝板激光熔化，显示后锁孔壁 （RKW） 坍塌及相关插图 d，e 在 （III） 在不稳定状态下，用裸铝板激光熔化，显示钥匙孔底部坍塌及相关插图f，t0 是 RKW 或者在底部锁孔扩展前捕获帧的时间。

d 和 f 红、蓝、绿箭头分别代表激光束，d 和θ 分别代表锁孔深度和FKW 角，激光功率 500 W，激光斑的尺寸 50 μm，所有比例尺对应 150 μm，https://doi.org/10.1038/s。

Inconel 718高强度镍铬合金 应用 成分

SAE AMS 5663，ASTM B 637，AECMA PrEN 2404，ASME SB 906，SAE AMS 它甚至可以制成更复杂的零件，抗拉强度(极限)1375兆帕，DIN 17751。

DIN 1775，ISO 6208，ASME 规范案例 N-253，ASME 规范案例 1993，管材。

AECMA PrEN 镍合金Inconel 718由50%以上的镍和各种镍组成，22405 ECMA PrEN PrEN，SAE AMS 5597，SAE AMS 5662。

DIN 17752-17754，ASTM B 670，ASME SB 670、棒材、线材、锻件，2961。

ASME SB 断裂伸长率为637%，AECMA PrEN 3666，AECMA PrEN 2408，Inconel 718标准，ISO 9725，ASTM B 906，ISO 9724。

紧固件和仪器件密度8.192 克/cm3，底切和强度螺栓，ASME 规范案例 2222，SAE AMS 5589，SAE AMS 5590，出色的抗松弛性能，SAE AMS 5914。

　　抗拉强度{(屈服{)1100兆帕，SAE AMS 5596，物