2025年第2篇3D打印Science！

2025年3D打印技术领域第2篇Science文章于2月20日发表。来自伦敦大学学院的中国学者FAN XIANQIANG （2016-2019年就读于清华大学）发表了关于“激光焊接与增材制造过程中匙孔不稳定性的磁调控”的文章。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554

研究聚焦在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，应用磁场减轻匙孔孔隙度的问题。通过高速同步辐射X射线成像技术，结合横向磁场实验，揭示了匙孔不稳定性的产生机制，并证明磁场可通过热电磁流体动力学效应调控熔池流动，有效抑制气孔形成。

在激光粉末床熔融3D打印技术中，激光与金属粉末的作用过程极复杂且难以控制，极易造成匙孔不稳定。当激光作用于金属表面时，局部汽化产生金属蒸气，蒸气反冲压力将液态金属向下挤压，形成深而窄的蒸气凹陷区，即“匙孔”。匙孔后壁温度较低，反冲压力较弱，易受熔池流动扰动。当后壁出现凸起时，激光束被反射至匙孔上部，导致局部温度分布不均。反冲压力的积累使匙孔中部压力骤降，液态金属回填形成“颈缩”，最终引发坍塌和气孔。高频振荡会进一步加剧湍流，使气孔随机分布。

研究人员将原位监测与模拟并行使用，训练机器学习算法进行锁孔孔隙率预测（由Zhongshu Ren博士领导，非本文研究）

为了解决匙孔不稳定性的问题，研究人员采用了一种创新的方法：通过施加横向磁场来调节匙孔的动态行为，同时利用高速同步辐射X射线成像技术，对激光熔化过程中的匙孔动态进行了高时空分辨率的观察。

研究发现，匙孔后壁上的流涡诱导的突出物是引发匙孔不稳定的决定性因素。而磁场可以通过驱动二次热电磁流体动力学流动，改变流涡结构，从而减少突出物的形成和匙孔的大振幅振荡。在磁场作用下，匙孔的形态保持了较为稳定的“I”形，而不是在没有磁场时容易塌陷的“J”形。研究还发现，激光扫描方向与磁场方向的相对关系对匙孔动态有着重要影响。

X射线成像系统带有两个环磁铁,在激光熔点提供静态磁场

磁场(B1-B5)与无磁场（A1-A5）钥匙孔形态比较

整个过程中,匙孔形态保持I形外观,表明磁场使匙孔更加稳定

倒转扫描方向时的熔体流动模式

两个相反扫描方向的锁孔孔面积与应用磁场的比较

钥匙孔振动的量化

该研究不仅为激光焊接和LPBF技术中匙孔不稳定性问题提供了新的解决方案，也为未来制造技术的发展提供了重要的理论支持。通过磁场控制匙孔动态的方法，有望在不改变材料成分的前提下，显著提高制造零件的质量和性能。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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