近日，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們的論文，激光相互作用區(qū)域中由高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服熔體流動(dòng)引起的阻力，從而在LPBF過(guò)程中快速消除熔池中的孔隙。通過(guò)調(diào)整3D打印方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制，獲得無(wú)孔隙的3D打印金屬零件。

3D科學(xué)谷通過(guò)上下兩篇文章來(lái)詳細(xì)揭示科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出這一孔隙消除方法的來(lái)龍去脈。

成就復(fù)雜零件的SLM金屬3D打印

力之間的相互作用

毛孔運(yùn)動(dòng)和消除

科學(xué)家們將鎢微粒（1重量％，直徑≤10微米）作為示蹤標(biāo)記包埋在AlSi10Mg粉末中，并根據(jù)不同區(qū)域中鎢微粒的速度量化熔體流動(dòng)行為。

毛孔運(yùn)動(dòng)和消除的驅(qū)動(dòng)力

a – c X射線圖像顯示了示蹤粒子（鎢微粒，用白色虛線圓圈標(biāo)記）的軌跡（用紅色箭頭表示）。（a）循環(huán)域的熔體流動(dòng)（b）過(guò)渡域（c）在LPBF加工過(guò)程中激光相互作用熔池中的區(qū)域。

d 顯示了在LPBF加工過(guò)程中熔池內(nèi)的溫度梯度，通過(guò)激光加工參數(shù)的多物理建模獲得，與原位實(shí)驗(yàn)相同。溫度梯度的大小和方向分別用顏色和黑色箭頭表示。白色箭頭表示溫度梯度從固液界面（熔化前沿）到凹陷區(qū)前壁增加。

e 直徑為10μm的孔的熱毛細(xì)力（F t）與曳力（F d）之比。

在a – c中，激光功率為360 W，掃描速度為1 ms -1粉末層的厚度為100μm。a – c中的比例尺為50μm

激光相互作用區(qū)域中的小孔沿著溫度梯度移動(dòng)并從熔池中逸出，這進(jìn)一步證實(shí)了熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制。

為了研究熱毛細(xì)管力對(duì)整個(gè)熔池不同位置的孔隙動(dòng)力學(xué)的影響，阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于熱毛細(xì)力與曳力之比（F t / F d）的力圖，熱毛細(xì)管力是激光相互作用域中的主導(dǎo)力，驅(qū)動(dòng)毛孔沿溫度梯度的方向移動(dòng)，而阻力控制循環(huán)域中的毛孔運(yùn)動(dòng)。

力的分析

a，b比較：循環(huán)域（a）以及在該工作中研究的孔徑范圍的激光相互作用域（b）中的曳力，浮力和熱毛細(xì)力。

c，d 以孔徑函數(shù)表達(dá)的力。克服曳力的浮力的臨界孔徑在循環(huán)區(qū)域（c）處為2.5mm，在激光相互作用區(qū)域（d）處為11mm，在循環(huán)區(qū)域?yàn)?.5 mm（c）和激光相互作用域（d）處為470mm 。

    科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)孔移動(dòng)行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)力和熔體流動(dòng)引起的阻力的競(jìng)爭(zhēng)控制。當(dāng)孔的尺寸變大時(shí)，浮力將發(fā)揮更重要的作用。而在LPBF加工過(guò)程中消除孔隙的主要驅(qū)動(dòng)力是熱毛細(xì)力，并不是通常認(rèn)為的浮力。

隨著毛孔向凹陷區(qū)移動(dòng)，加速度增加

a 溫度梯度G 的變化，從熔化前沿（熔化期間的固液界面）到凹陷區(qū)壁。溫度梯度朝向凹陷區(qū)壁增加。

b 通過(guò)時(shí)間函數(shù)表達(dá)的速度，隨著毛孔向凹陷區(qū)壁移動(dòng)而加速。

c 隨著毛孔向凹陷區(qū)壁移動(dòng)，加速度增加。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（sd）（加工情況：激光功率為310 W，掃描速度為1 m s -1）

孔隙動(dòng)力學(xué)和消除機(jī)制。示意圖顯示了LPBF加工過(guò)程中孔隙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和孔隙消除機(jī)制

通過(guò)熱毛細(xì)管力消除毛孔

    科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)AlSi10Mg和Ti6Al4V合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過(guò)兩種合金中的熱毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)了孔隙消除，這表明熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制不限于特定的合金系統(tǒng)。

     總之，科學(xué)家們通過(guò)協(xié)同結(jié)合復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)和多物理場(chǎng)建模，找到了一種有效消除金屬3D打印中毛孔的機(jī)制。3D科學(xué)谷期望這里揭示的熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的毛孔消除機(jī)制可以為開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)無(wú)孔3D打印的方法開(kāi)辟途徑，以釋放3D打印技術(shù)的全部潛力。

此外，熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的毛孔消除機(jī)制也對(duì)孔隙演化很重要，對(duì)溫度梯度的廣泛研究和工程領(lǐng)域有積極的影響，例如激光拋光，激光熔覆，焊接，熔體紡絲，核反應(yīng)反應(yīng)堆和化學(xué)反應(yīng)器的研究。

     名詞解釋?zhuān)阂妨κ橇黧w對(duì)其中有相對(duì)速度的固體施加的力這個(gè)力與相對(duì)速度方向相反其實(shí)就是相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力,只不過(guò)阻力是相互施加的,而曳力是明確指定流體對(duì)固體施加的力。對(duì)于曳力來(lái)說(shuō),壓力阻力是其中一部分,還有摩擦阻力的貢獻(xiàn)。