[论文解读] Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing

Lu Wang, Yanming Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用 7

一句话总结

本研究提出一种多物理场热流体模型，用于模拟激光增材制造中的小孔孔隙形成机制，揭示孔隙形成源于小孔失稳及凝固前沿的气泡钉扎。关键发现为：不均匀的反冲压力与波动的能量吸收率导致小孔坍塌与孔隙生成，而低环境压力通过增强反冲压力并减少形貌畸变，可稳定小孔并抑制孔隙形成。

ABSTRACT

Metal additive manufacturing has gained extensive attention from research institutes and companies to fabricate intricate parts and functionally graded materials. However, the porosity of the as-built part deteriorates the mechanical property and even hinders the further application of metal additive manufacturing. Particularly, the mechanisms of keyhole pores associated with the keyhole fluctuation are not fully understood. To reveal the mechanisms of the keyhole pores formation, we adopt a multiphysics thermal-fluid flow model incorporating heat transfer, liquid flow, metal evaporation, Marangoni effect, and Darcy's law to simulate the keyhole pore formation process, and the results are validated with the in-situ X-ray images. The simulation results present the instant bubble formation due to the keyhole instability and motion of the instant bubble when it pins on the solidification front. Moreover, the unevenly distributed recoil pressure on the keyhole surface is an important factor for keyhole collapse and penetration. Furthermore, comparing the keyhole pore formation under different laser scanning speeds shows that the keyhole pore is sensitive to the manufacturing parameters. The keyhole fluctuation features and energy absorptivity variation on the rear keyhole wall could be metrics to evaluate the likelihood of the keyhole pore formation. Additionally, the simulation under a low ambient pressure shows the feasibility of improving the keyhole stability to reduce and even avoid the formation of keyhole pores.

研究动机与目标

• 理解激光基金属增材制造过程中小孔熔融模式下小孔孔隙形成的内在机制。
• 解决小孔孔隙形成缺乏直接观测与定量解释的问题，特别是小孔失稳与动态力的作用。
• 评估制造参数（尤其是激光扫描速度）对小孔孔隙形成与稳定性的影响。
• 研究通过低环境压力条件减少或消除小孔孔隙形成的可行性。
• 将模拟结果与原位X射线成像数据进行对比，以验证其准确性和物理保真度。

提出的方法

• 开发一种集成热传导、不可压缩牛顿流体流动、马兰戈尼对流、金属蒸发及糊状区阻力Darcy定律的多物理场热流体模型。
• 引入激光光线追踪技术，基于几何形状与入射角计算小孔表面的空间变化能量吸收率。
• 采用Boussinesq近似模拟熔池中的浮力力，以及由温度依赖表面张力引起的表面张力梯度。
• 应用Darcy-Forchheimer模型模拟糊状区中凝固枝晶引起的阻力，影响气泡运动与小孔波动。
• 在不同激光扫描速度与环境压力（1 atm 与 10⁻⁴ atm）下模拟小孔动力学，评估其敏感性与稳定性。
• 将模拟得到的瞬时气泡形成与钉扎行为与原位X射线成像数据对比，确保物理准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光基金属增材制造中小孔孔隙形成的物理机制是什么？
• RQ2 小孔失稳，特别是不均匀反冲压力分布，如何导致小孔坍塌与孔隙成核？
• RQ3 熔池流动与糊状区拖曳力在捕获气泡并形成孔隙中起什么作用？
• RQ4 激光扫描速度的变化如何影响小孔孔隙的尺寸、形状与分布？
• RQ5 低环境压力是否可通过稳定小孔几何形状与增强反冲压力，减少或消除小孔孔隙形成？

主要发现

• 小孔孔隙形成分为两个阶段：(1) 由于后方小孔壁受不均匀反冲压力作用，导致瞬时气泡形成；(2) 气泡因凝固前沿处高向下流速产生垂直拖曳力而被钉扎。
• 糊状区的拖曳力在决定熔池底部小孔波动中起关键作用，且包含枝晶形貌的Darcy拖曳模型对准确模拟至关重要。
• 随着激光扫描速度增加，小孔孔隙尺寸显著减小，孔隙在熔池底部更趋球形且水平分布。
• 小孔深度与能量吸收率的波动——尤其在后方小孔壁上——是孔隙形成可能性的强指标，标准差越低，孔隙率越低。
• 低环境压力（10⁻⁴ atm）可增强后方小孔壁的反冲压力，稳定小孔形状，并减少能量吸收率波动，从而在模拟中未观察到小孔孔隙。
• 与大气压相比，低环境压力下能量吸收率的标准差更低，表明小孔畸变减少，稳定性提升。