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x光 原位高速高分辨率X射线影像揭示送粉增材制造时气孔的形成机理及其动力学( 二 )

动力学 x光



为了缓解DED所制造的部件的气孔所带来的不利影响 ， 通过研究和识别DED工艺过程中的气孔形成机制来提高气孔动力学的基本理解是非常关键的 。 然而 ， DED工艺中生成的气孔尺寸可以从几微米到几百微米之间变化 ， 并且在快速凝固的熔池中高速移动 。 这些气孔的特征和金属的不透明使得采用通常的高速摄影或热影像设备很难来实时探测气孔形成的动力学 ， 这是因为这些技术只适合部件表面的监测 。
图3在粉末颗粒表面的吸收的气体所诱导形成的气孔：(a) 将Ti–6Al–4V粉末输送至熔池；(b) 在颗粒的顶部表面所形成的气孔； (c)–(d) 气孔的复杂运动；(e) 相邻的气孔的合并；(f)气孔在凝固之后的收缩 。 实验时的激光功率和扫描速度分别为 208 W and和 0.1 m/s 。

高速同步辐射硬X射线已经被证明是一种非常有效的手段来研究粉末床增材制造过程中的动力学 。 除了原位X射线衍射之外 ， 高速X射线影像是在粉末床打印工艺中已经实时揭示了熔池形状的变化生长、颗粒的飞溅、匙气孔的形成、匙孔的形成机制、飞溅、内部溶体的流动、熔池的波动、亚表面的冷却速率、X射线影像耦合衍射技术和气孔的形成/消除 ， 并且实验结果已成功的预测了热模型 。 在最近 ， 原位高速同步X射线影像开始应用于DED工艺 。
图4当粉末颗粒进入熔池时捕获的气体所形成的气孔：(a)–(b) 输送的Ti–6Al–4V粉末颗粒；(c)–(d)气孔的向下移动；  (e)气孔的合并 ； (f)气孔在凝固后的收缩。 激光功率和扫描速度分别为208和 0.1 m/s 。

在本研究中 ， 我们在小尺度的DED工艺中使用高速同步硬X射线影像（微米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨率）来观察熔池中气孔的形成及其动力学、X射线影像揭示DED中背后的物理现象 ， 包括同输送颗粒相关的不同的气孔形成机制、匙孔的波动、熔池的动力学 。 当前的研究结果可以更好的促进理解DED AM工艺中和其他相关的以激光为基础的材料加工工艺 ， 如激光熔覆、涂层、修复等 ， 其气孔的生成是由于复杂的传热和传质所造成的 。
图5 粉末之间相互作用和在匙孔的尾部作用时所产生的匙孔类型的气孔的形成 ， 激光功率为208 W 和扫描速度为 0.1 m/s：(a) Ti–6Al–4V粉末颗粒的输送； (b) 在匙孔底部的气孔的形成 ； (c)–(e)自匙孔分离开的气孔 ；(f) 在凝固后气孔的收缩

2.装备组成
实验时在美国阿贡国家实验室的先进光源中心进行的 ， 采用同步X射线影像（该设备具有高速和高分辨率）来监测熔池中的气孔形成的动力学 。 如图1所示 ， 为原位X射线影像的实验装置 ， 由一个送粉系统和惰性气体、气体室、激光我昂系统和基材系统、高速和高分辨率的X射线影像系统用于捕获DED工艺过程中的熔池动力学 。
图6在DED过程中粉末颗粒的相互作用和匙孔的前壁区域所形成的气孔 ， 激光功率和扫描速度分别为208 W和0.1 m/s：(a) 粉末颗粒输送至匙孔前壁时的气孔形成；(b) 在匙孔前壁气孔的形成；(c)–(e) 自匙孔和向前移动的时候气孔的分离；(f) 在凝固后熔化道边界的气孔的驻留

图7粉末颗粒输送到匙孔中心区域时由于匙孔的崩塌所造成的气孔的形成 ， 激光功率和扫描速度分别为156 W和0.1 m/s：(a)–(b)粉末颗粒输送至匙孔区域和熔池表面的波动 ； (c) 粉末颗粒的二次输送；(d) 匙孔崩塌的二次气孔的形成；(e)–(f) 在凝固后驻留的气孔

图8 输送的粉末由于未熔合所造成的气孔：(a)–(f) X射线图像显示的是粉末的输送和熔化；(a) 恩墨开始输送； (b) 粉末颗粒在熔池的表面上着陆；  (c)–(e) 这一粉末颗粒的部分熔化；  (f) 部分熔化的粉末颗粒的凝固后的熔化道 ， 功率为208W ， 扫描速度为0.1 m/s ， 未熔化的原因形成的气孔采用黄色的椭圆形点线来表示 。
文章来源：In situ X-ray imaging of pore formation mechanisms and dynamics in laser powder-blown directed energy depositionadditive manufacturing ， International Journal of Machine Tools and Manufacture ， Volume 166 July 2021 103743 ， https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103743

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