上海交通大学凝固科学与技术研究所：在激光增材制造原位研究领域取得重大进展

上海交通大学材料科学与工程学院董安平研究员、熊良华副教授、杜大帆副教授、何林助理教授课题组联合北京中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员团队，在激光增材制造同步辐射原位研究领域取得了重要进展，相关研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”为题发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上，这是国内首篇仅利用国内同步辐射资源发表的原位增材高水平文章。

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104181

该工作利用同步辐射高能X射线快速成像技术，对典型高熵Cantor合金在传导模式下的多层定向能量沉积（DED）过程进行了原位研究，揭示了三种新的孔洞形成机制，并验证了三种已知的孔洞生成机制；与此同时，基于熔池尺度流场高时空分辨表征，提出了一种调控马兰戈尼流实现孔隙消除新机制。这些发现为高熵合金的增材制造提供了关键的实验数据，有助于开发精准的计算模型和深入理解熔池微观尺度下的孔隙控制策略。上海交通大学材料科学与工程学院博士生张书雅为论文第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德教授、董安平研究员、熊良华副教授、中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员为论文共同通讯作者，上海交通大学为论文第一完成单位。

图1 同步辐射原位研究激光定向能量沉积增材制造过程，从熔池尺度高精度高时空分辨揭示内部孔洞形成及演化新机制。

激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）增材制造技术快速实现三维复杂几何形状和大尺寸组件的高质量制造，并且能够制备微观结构可调的新型合金和功能梯度合金，在航空航天、生物医学和核能领域具有重要应用。然而，与传统的铸造和焊接工艺相比，3D打印产品通常表现出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸，难以保障其激光打印一致性和稳定性，严重影响了零件的力学和服役性能。因此，通过优化工艺过程以减少孔隙，对于打印高熵合金等新型金属至关重要。然而，目前对于多层DED过程在传导模式下孔洞形成机制的系统性分析仍然有限；熔池内部形成的孔洞如何随熔流演变并相互作用？这些基础科学问题对于减少甚至消除孔隙至关重要，而多物理模拟熔流对孔隙往往依赖高精度实验数据，当前在多道次DED原位实验研究尚未报道。

图2 同步辐射快速成像原位研究DED过程。（a）利用高能快速X射线成像技术实时监测粉末输送示意图；（b）同步辐射线站原位表征装置图。

针对上述问题和挑战，研究人员利用同步辐射高能X射线快速成像技术，高时空分辨穿透高温金属熔体，实时观察到高动态微尺度下熔池和气孔的动态演变过程，原位研究了传导模式下多层DED过程中多种合金体系（从铝基、钛基、镍基合金到高熵合金）中的孔洞形成及演化行为，阐明了熔池内六种孔洞生成机制和三种孔洞演化机制。

图3 同步辐射快速成像高时空分辨表征熔池形貌，定量化数据可以标定和输入高保真模型。

研究还发现，典型Cantor高熵合金中存在独特的逆Marangoni对流现象，有助于延长孔洞的生存时间。在熔池循环区，孔洞沉降至激光相互作用区相邻位置的熔池底部，随后被推至熔池尾部；在接触到凝固前沿之前向上移动，并重新进入熔池内部循环。长寿命孔洞通常会在熔池激光相互作用区和循环区相邻位置合并，容易向高温区域移动，在热毛细力和浮力主导下经由熔池表面逃逸。这些发现对高熵合金等新合金体系DED工艺参数优化、开发可靠的高保真计算模型以及从熔池尺度调控缺陷等具有理论指导意义。

图4 Cantor合金多道次熔覆后熔道形貌，可以看出激光能量密度严重影响多道次熔道内部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固后成形质量。

图5 同步辐射原位表征数据定量化分析熔池内部孔洞的捕获和消除行为

上述相关研究得到了国家自然科学基金委（编号：52201017和52071205）、国家重点研发计划（项目号：J2019-VI-0004-0117）、国家重大科技专项（项目号：2021YFB3703400）、上海市浦江人才计划（22PJ1408000）以及中国科学院高能物理研究所等项目和单位的支持。

上海交通大学凝固科学与技术研究所聚焦于高性能金属材料先进制造及凝固理论研究，特别是在高温合金调压铸造和激光增材制造方面，具备国内领先的首台套工业级设备，并与国内外一流大学和研究院所保持长期深入合作关系。近年来主持国家973计划1项，国家自然科学基金重大仪器专项2项，面上项目20余项，青年基金项目3项，以及部分上海市科委、经信委、教委的科研项目，同时承担了多项企业委托课题。团队长期诚聘高温合金调压铸造、激光增材制造、同步辐射原位表征等方向博士后，联系人：董安平（apdong@sjtu.edu.cn）。