2025年第2篇增材Science：3D打印最新突破，中国学者一作！
3D打印技术参考注意到，2025年3D打印技术领域第二篇Science文章于2月20日发表。来自伦敦大学学院的中国学者XIANQIANG FAN（2016-2019年就读于清华大学）发表了题为“Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing”的文章。
研究聚焦在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，应用磁场减轻钥匙孔孔隙度的问题。通过高速同步辐射X射线成像技术，结合横向磁场实验，揭示了匙孔不稳定性的产生机制，并证明磁场可通过热电磁流体动力学效应调控熔池流动，有效抑制气孔形成。这一发现为提升增材制造质量提供了新思路。
研究背景：匙孔不稳定性的物理机制
LPBF作为一种先进的增材制造技术，能够制造具有复杂几何形状和高精度的金属零件。然而，LPBF过程中常见的孔隙度问题，特别是由于钥匙孔不稳定导致的孔隙度，严重影响了制造件的机械性能和可靠性。
之所以产生匙孔不稳定，是因为激光与金属粉末的作用过程极复杂且难以控制。当激光作用于金属表面时，局部汽化产生金属蒸气，蒸气反冲压力将液态金属向下挤压，形成深而窄的蒸气凹陷区，即“匙孔”。匙孔后壁温度较低，反冲压力较弱，易受熔池流动扰动。当后壁出现凸起时，激光束被反射至匙孔上部，导致局部温度分布不均。反冲压力的积累使匙孔中部压力骤降，液态金属回填形成“颈缩”，最终引发坍塌和气孔。高频振荡会进一步加剧湍流，使气孔随机分布。
熔池随磁场流动和无磁场流动：A 在没有磁场的情况下的熔池流动模式示意图(激光束穿过RL)。(B1-到B4相关的钥匙孔坍塌过程。( C )在磁场存在下的熔池流动。( D1 -D3 )后向和上向流动的示意图,由T力驱动,维持一个I形的钥匙孔用于(c),RL-B的情况。( E 和 F )在rl-b和rr-b扫描中,W粒子的轨迹显示当扫描方向逆转时,TE力逆转引起的流动逆转。( G)倒转扫描方向时的熔体流动模式）
研究方法：磁场调控+高速同步辐射X射线成像
为了解决匙孔不稳定性的问题，研究人员采用了一种创新的方法：通过施加横向磁场来调节匙孔的动态行为，同时利用高速同步辐射X射线成像技术，对激光熔化过程中的匙孔动态进行了高时空分辨率的观察。实验中使用了AlSi10Mg合金作为研究对象，并在激光扫描方向与磁场方向不同的条件下进行了对比实验。通过这种实验设计，研究人员能够直接观察到匙孔在磁场作用下的动态变化，以及熔池流动模式的改变。
X射线成像系统带有两个环磁铁,在激光熔点提供静态磁场
研究发现：磁场调控可抑制匙孔不稳定性
通过施加横向磁场和高速射线成像，研究团队发现了匙孔不稳定的机制以及磁场对匙孔动态的影响机理。
1. 匙孔不稳定的机制
研究发现，匙孔后壁上的流涡诱导的突出物是引发匙孔不稳定的决定性因素。在没有磁场作用时，匙孔后壁的突出物会反射激光束，导致匙孔壁受热不均，从而引发匙孔形态的不规则变化。随着匙孔形态的改变，匙孔会经历一系列的动态变化，包括匙孔的扩张、收缩，最终导致匙孔塌陷和孔隙的形成。
2. 磁场对匙孔动态的影响
当施加一个约0.5特斯拉的横向磁场时，匙孔的不稳定性得到了显著抑制。具体来说，磁场通过驱动二次热电磁流体动力学流动，改变了匙孔后壁的流涡结构，从而减少了突出物的形成和匙孔的大振幅振荡。实验结果显示，在磁场作用下，匙孔的形态保持了较为稳定的“I”形，而不是在没有磁场时容易塌陷的“J”形。
磁场(B1-B5)与无磁场（A1-A5）钥匙孔形态比较
3. 扫描方向对匙孔动态的影响
研究还发现，激光扫描方向与磁场方向的相对关系对匙孔动态有着重要影响。当激光扫描方向从右向左时，磁场能够有效稳定匙孔，减少孔隙的形成；而当扫描方向从左向右时，磁场的作用则相反，会加剧匙孔的不稳定性。这种差异源于塞贝克效应诱导的洛伦兹力的方向变化，该力的方向取决于扫描方向与磁场方向的相对关系。
4. 钥匙孔振荡的量化分析
研究人员通过对匙孔振荡频率和振幅的量化分析，进一步揭示了磁场对匙孔稳定性的作用机制。在没有磁场的情况下，匙孔底部附近的振荡频率为2.3 kHz，振幅较大；而在磁场作用下，匙孔振荡频率显著降低，尤其是大振幅振荡的频率减少了71%。这表明磁场能够有效抑制匙孔的大振幅振荡，从而减少孔隙的形成。
钥匙孔振动的量化
研究结论与展望
这项研究通过实验和理论分析，揭示了磁场对匙孔动态的调节机制，并提出了通过磁场控制匙孔稳定性的新方法。研究结果表明，在LPBF等小尺度加工过程中，热电效应诱导的力是主导熔池流动的主要机制，而非传统的电磁阻尼力。
该研究不仅为激光焊接和LPBF技术中匙孔不稳定性问题提供了新的解决方案，也为未来制造技术的发展提供了重要的理论支持。通过磁场控制匙孔动态的方法，有望在不改变材料成分的前提下，显著提高制造零件的质量和性能。此外，该研究还为其他涉及热电效应的制造工艺提供了新的思路，例如功能梯度材料、双金属材料和复合材料的加工等。未来的研究可以进一步探索磁场强度、合金成分和加工参数之间的最佳组合，以实现更高效的匙孔稳定性控制。
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