Science顶刊：原位激光金属3D打印机，助力同步辐射技术研究匙孔取得突破

南极熊导读：原位激光金属3D打印设备在同步辐射技术研究匙孔中大放异彩，不断助力科学家取得突破。

2025年第二篇增材制造相关Science顶刊论文，再次聚焦同步辐射技术研究匙孔

在增材制造技术研究中，匙孔效应的形成机理与演化规律一直是制约工艺优化和质量控制的关键科学问题。2025年2月英美加中四个国家科研单位使用高速同步辐射X射线成像技术合作完成的“激光焊接与增材制造过程中匙孔不稳定性的磁调控”的文章发表在Science杂志上，由伦敦大学机械工程学院材料、结构与制造研究组(MSMaH)主导。伦敦大学学院(UCL)和哈韦尔研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范贤强)博士为第一作者。

该研究发现：实验观察到特定磁场下匙孔稳定性极大提高，孔洞面积减少80%；提出新方法定量化匙孔震荡并给出了深入的机理解释；通过无量纲分析给出了加工参数选取以及材料设计方面的指导。

孔洞的产生源于一种称为“匙孔不稳定性”的过程。打印中使用的激光功率可超过200 W，聚焦到约50微米大小的光斑，照射在粉末表面。强烈的加热导致局部沸腾，形成金属蒸汽，蒸汽向下推入粉末中，形成一个凹陷区域，称为“匙孔”。匙孔并不稳定，它以快于1毫秒的速度振荡。同时激光扫描过程会导致巨大的温度梯度，范围从金属合金的熔化温度到蒸发温度（铝合金约为3000°C）。液体从低表面张力区域流向高表面张力区域，以最小化自由能，该流动通常称为马兰戈尼流动。匙孔后壁上的流动使其比前壁更容易受到波动和坍塌的影响。当激光以大约1米/秒的速度扫描粉末床时，强烈的熔体流动会使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能会断裂并形成气泡，最终成为零件中的孔隙。研究团队发现，如果磁场的方向与激光移动的方向垂直，熔池中引入的洛伦兹力足以改变流动，从而抑制匙孔振荡，锁孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不会断裂形成孔隙。正确施加磁场后，孔隙面积减少了80%以上，且剩余的孔隙更小。

图 1 施加磁场前后匙孔形貌对比以及孔洞缺陷情况对比

然而，施加磁场会同时激活电磁阻尼（EMD）和热电洛伦兹力，后者驱动的流动称为热电磁流体（TEMHD）。这项研究解决了一个长期存在的争议，即哪种机制（EMD或TEMHD）负责稳定匙孔，由于增材制造过程的微小熔池尺度，研究证明TEMHD效应起了主导作用。为了观察这一过程，研究人员使用了APS的32-ID光束线，这是唯一能够提供足够通量以满足所需成像速率的X射线源。为了捕捉发生在1毫秒内的匙孔振荡，必须以每秒超过10万帧的速度获取图像。团队在光束线上改装了一台定制的3D打印机，设置了一个可以在激光下快速移动的样品床，并填充了AlSi10Mg粉末，这是一种由铝、硅和镁组成的轻质合金，其中高硅含量为系统增加了类似半导体的特性。研究人员开发了一系列的图像处理方法，提出了基于图像处理的定量化匙孔震荡的新方法。

图 2（A-C）匙孔震荡定量化方法和结果，（D，E）不同扫描方向条件下熔池内部流动的可视化结果对比，两者均为施加相同磁场情况。

资料来源：Science+1 |磁场显著减少3D打印隙缺缺陷，特种材料研究所参与研究 - 上海交通大学材料科学与工程学院

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光源系列设备

为实现高速同步辐射技术对增材制造过程中匙孔动态行为的原位观测，国内外学者与研究团队正致力于开发专用的3D打印实验装置。这类设备需要满足以下核心要求：（1）与同步辐射光源兼容的开放式结构设计；（2）耐高温观测窗口与精密运动控制系统；（3）毫秒级时间分辨率与微米级空间分辨率的协同实现；（4）多物理场（温度场/流场/应力场）同步监测能力；（5）完成透射、衍射等不同角度的观测需求。

针对以上高速同步辐射X射线成像增材制造相关研究的特殊需求，云耀深维整合跨学科技术优势，成功开发出第二代同步辐射兼容型金属增材制造原位观测设备（型号：PHOTON-40），该设备主要优势：

「完整SLM系统，原位研究定制」

PHOTON SERIE

• 同步辐射下实现打印真实过程（多层铺粉系统、刮粉装置、风场、Z轴运动装置等）

• 透射、衍射需求灵活满足-可倾斜打印，适配多种角度

• 超高温预热-500/700度高温可选

• 深度开放参数-打印过程实时调整

• 一机多用：可随时更换为常规打印系统；

云耀深维自主研发的光源40设备为同步辐射原位研究定制，配置完整的全套SLM系统（多层铺粉系统、刮粉装置、风场、Z轴运动装置、500/700度高温预热等），完成上百层至数千层的真实铺粉及打印，助力研发人员在真实的金属打印过程中完成更精确的数据收集。同时光源系列更配置了灵活的高度调节及角度旋转系统，还可以倾斜打印，可以同时满足透射及衍射实验的需求。助力科研团队使用同步辐射原位技术探索增材制造微尺度形性演变机理，监测打印过程中的熔池及晶体结构变化，实现原位表征与分析。

不仅如此，光源系列更配置了独立的能完成常规金属打印的打印腔室，成型空间为∅60xH80mm，客户可一机多用，随时更换为常规打印腔室，满足各种力学性能试样及小型部件的打印需求。为更好地满足研发需求，该系列还配置了开放的工艺参数系统，使用户可自由选择及调节激光的路径规划，打印策略，扫描参数等工艺参数。用户可自行建立cli文件，自定义轮廓与不同类别填充的扫描参数及路径策略，自由设置出光延时，扫描延时，增旋转角度，随机扫描策略等。

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交付报告

云耀深维为客户在上海同步辐射光源（SSRF）站点原位研究定制的光源40设备顺利交付。该光源型号配备了完整的全套SLM系统的同时更配 置了独立的能完成常规金属打印的打印腔室，成型空间为∅60xH80mm，其优 异的设计及卓越的性能得到了客户的高度肯定。

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原位其他相关研究

2020年11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧作为独立第一作者和共同通讯作者在Science（《科学》）上以“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”（激光加热中匙孔根部的临界失稳产生气泡缺陷）为题发表了关于金属激光3D打印的最新成果。该项研究起于宏观工艺，立于微观细节。宏观层面上，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受金属粉末加入的影响甚微。在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。

图3. 关于匙孔气泡区边界和气泡缺陷起源的艺术插图。左侧，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡区边界清晰而平滑。右侧，在该边界附近，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插图设计者：清华大学冯叶；版权所有者：清华大学赵沧）

图4. 匙孔气泡与微流喷射。匙孔前后壁的碰撞产生气泡和微流喷射。微流喷射随后促进气泡形貌的演化。在这个过程中，气泡悬浮于熔池中，几乎静止。（经许可转载自C Zhao et al., SCIENCE, Nov 27 2020）

资料来源：机械工程系助理教授赵沧及其合作者在《科学》发表论文揭示金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源-清华大学机械工程系

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