在激光金属增材制造中，熔池内的熔体流动决定了熔体的传热传质过程，对熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飞溅的产生起着关键作用。因此，熔体流动行为显著影响增材制造零件的微观结构和性能，了解熔体的流动行为对于微观组织预测和过程控制至关重要。

在过去30年的时间里，关于熔池中的熔体流动行为一直没有研究透彻。近日，来自麦迪逊大学、密苏里理工大学以及美国阿贡国家实验室的研究人员共同揭示并量化了熔池不同区域中特定位置的流动模式，为研究实际增材制造条件下详细的熔体流动动力学开辟了道路。

该研究的主要研究人员为中国或华裔学者，本期，3D打印技术参考对研究主要内容进行介绍。

熔体的熔化模式与表征三维熔体流动的挑战性

由于难以通过实验方法直观地观察熔池内部的流体流动，研究人员因此通过广泛的建模和仿真来研究各种条件下的流动模式。材料的熔化方式被分为凹陷熔化和传导熔化。在高功率密度下，由于强烈的材料汽化而产生的反冲压力会在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相对较浅、较宽，没有明显的凹陷，形成传导模式熔化。

考虑到激光增材制造中物理学的复杂性，使用单个数值模型来模拟所涉及的多物理现象是极具挑战性的。在真实的激光增材制造条件下，尤其是在激光粉末床熔合条件下，表征三维熔体流动更具挑战性，因为激光通常以更高的速度扫描，并且产生的熔池更小。因此，科学界尚未揭示实际激光增材制造条件下整个熔池中的熔体流动行为。

熔体流动动力学原位采样示意图，高速高分辨率X射线成像系统用于在纵向视图和横向视图中捕获熔池中示踪颗粒的运动

在这项工作中，研究人员开发了一种方法，通过均匀分散大量的微量示踪剂（直径约5μm）并进行原位高速高分辨率x射线原位成像，研究激光增材制造过程中整个熔池中的熔体流动行为。揭示了在传导模式熔化和凹陷模式熔化下整个熔池中每个位置的熔体流动动力学，并分析了熔池中液体流动的驱动力和物理过程。

实验参数设置与熔化模式

实验采用了AlSi10Mg和Al-6061两种铝合金。选择铝合金是因为它们的X射线穿透性更高，同时验证在AlSi10Mg中观察到的熔体流动模式是否也可以在另一种具有不同成分的Al-6061中观察到。

在粉末床的前后两侧分别架设X射线测量装置，分别捕获横向和纵向的颗粒运动。

两种熔化模式下的熔体流动方式

由于这两种熔化模式的物理基础不同，传导熔化和凹陷熔化的熔体流动行为表现出很大的不同。

在传导熔化模式下，材料表面被加热，能量吸收的速度超过了热量散失的速度，材料温度最终达到熔点形成熔池。熔体的流动模式相对简单，主要受到Marangoni驱动力的作用，熔体从较热区域流向较冷区域，即从激光加热点到熔池边缘。激光束前面的表面流向前移动（顺时针），而激光束后面的表面流向后移动（逆时针），当到达熔池的每个边缘时，它们将向下流动并在液压的作用下返回到激光加热点，形成两个闭合回路。

传导熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡

传导模式下全熔池熔体流动的三维重构

在凹陷熔化模式下，热源能量非常强烈，材料温度不仅超过熔点，而且达到了沸点。在这种情况下，材料的强烈汽化会施加反冲压力进入熔池，从而形成一个凹陷区。在焊接领域，当凹陷区域尺寸比（深度超过一半宽度）大于1时，凹陷模式也称为“锁孔模式”，在这种模式下，热源不仅加热材料的上表面，还通过凹陷区加热材料的内部。

由于强烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流动模式相当复杂。与汽化有关的力和Marangoni力主导着凹陷周围的流动模式。而且随着凹陷的形成，激光束直接与熔池内部相互作用，从而促进了能量吸收，与传导模式相比，能量吸收导致熔池更大，流动更复杂。

凹陷熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡

凹陷上部的熔体向上移动，而靠近凹陷底部的熔体由于受到反冲压力向下移动；熔池表面附近的流动从凹陷出口向熔池尾部向后移动，熔池底部的流动也有向后移动的趋势，除了在熔池的后底部观察到短的向前流动，两股熔体最终合并向上移动，并分裂成两个相反的方向。除此之外，其他位置的流体流动模式和流动速度也各不相同，分别受到不同作用力的控制（详细内容查询原文）。

传导模式下全熔池熔体流动的三维重构

END

总的来说，本项研究的重要意义在于首次揭示并量化了在激光金属增材制造过程中，传导模式熔化和凹陷模式熔化下，整个熔池中每个位置的熔体流动动力学。

通过原位高速高分辨率X射线成像的方法为研究实际增材制造条件下的熔体流动动力学开辟了道路，其发现不仅对理解激光增材制造工艺和其他激光工艺至关重要，对于开发可靠的高保真计算模型也至关重要。