Science发表 l 3D打印领域取得重大突破：磁场显著减少孔隙缺陷

| 3DScienceValley · 2025/02/24

谷专栏

近期，在伦敦大学学院机械工程系材料、结构与制造研究组（MSMaH）主导下，由英、美、加、中四个国家顶尖科研单位合作完成的一项工作发表在Science杂志上。

官方免费下载链接可在MSMaH网站找到：https://www.ucl.ac.uk/materials-harwell/

团队长期致力于外场在先进加工领域的研究，专注于利用磁场在3D打印领域的创新。在前期工作基础上（X. Fan et al 2023, Acta Materialia; X. Fan et al 2023, Additive Manufacturing），取得了新的突破进展并被多家单位媒体跟踪报道: https://science.altmetric.com/details/174366931/news

▲https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554
© Science

洞察

“物理场在增材制造中的应用不仅能够显著改善打印质量和效率，还能为制造复杂功能材料提供新的可能性。”

研究背景

增材制造，也被称为3D打印，使工程师能够构建具有复杂设计和精细细节的机械零件，这些在其他工艺中难以实现。然而，为了在汽车和航空工业中进一步采用该技术，仍需克服一些关键挑战，因为在3D打印过程中，高度聚焦的激光束快速扫描金属粉末床以熔化粉末，但往往会留下削弱材料强度的孔隙。

如今，来自伦敦大学学院（UCL）和格林威治大学的科学家们利用阿贡国家实验室的先进光子源（APS），识别了新的孔隙形成机制，并证明施加适当的磁场可以显著减少孔隙问题。

▲图1（A）APS同步辐射光源32-ID线站上搭建的粉末床增材制造设备，（B）获得的图像数据清晰显示了匙孔和熔池的固液界面，（C）施加磁场前后孔洞对比。

▲图2文中通讯作者和他们的其中一个原位同步辐射增材制造设备，从左往右依次为Andrew Kao，范贤强，Peter D. Lee， Chu Lun Alex Leung

研究进展

最新进展主要分为：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振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，蒸汽向下推入熔池中，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3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振荡的新方法。

▲图4（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。

在传统的磁流体动力学（MHD）中，电磁阻尼（EMD）通常被认为是主要的制动力。在本研究中，通过计算哈特曼数，（定义为电磁阻尼（EMD）与粘性力比值的平方根）以及热电磁力与电磁阻尼的比值，（如果该比值远大于1，则热电磁力是主要的制动力），结合磁场作用下不同扫描方向的流动特征，研究人员可以确定哪种机制是主导因素。研究人员的计算结果，表明热电磁流体对于稳定匙孔起主导作用而非电磁阻尼。这些无量纲比值包括了材料物性参数和熔池尺寸信息（加工参数决定），为进行下一步的材料设计和加工窗口优化提供了关键指导。