VirtualPhys.Prototyp：揭示熔道末端凹坑缺陷（EOPD）形成機制及其最佳化方法

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在雷射粉末床熔融（LPBF）過程中，通常會出現非預期的熔道末端凹坑（End-of-process depression, EOPD）缺陷，進而導致成形零件層間結合不良、表面質量差和疲勞強度低等問題。這些問題對於一些結構複雜的零件（如，骨支架）來說是致命的，因此在LPBF過程中避免EOPD缺陷十分必要。目前，已經有一些關於EOPD缺陷研究的報道，但是其形成機制仍未被清楚的揭示，使得EOPD缺陷缺乏有效的手段進行抑制。在這項研究中，研究團隊建立了與實驗過程高度匹配的多物理場介觀尺度模擬模型，定量地構建了工藝引數與三種EOPD形成的對映關係，結合熔池流動狀態與凝固過程分析揭示EOPD的形成機制，最終提出了一種“階梯式”功率改變策略來抑制EOPD缺陷。這項工作為LPBF工藝成形零件的質量控制提供了寶貴的見解。

近日，武漢科技大學林昕教授團隊在國際著名期刊Virtual and Physical Prototyping上發表了題為“Revealing formation mechanism of end of process depression in laser
powder bed fusion by multiphysics meso-scale simulation”的研究論文。其主要揭示了LPBF過程中EOPD缺陷的形成機制，並基於缺陷形成機制提出了一種“階梯式”功率改變策略來抑制EOPD缺陷。

作者首先透過LPBF過程實驗和多物理場模擬獲得了EOPD缺陷的形貌圖（圖1），並定義了EOPD缺陷：當熔道末端明顯低於基板或先前層時，認為該熔道出現了EOPD缺陷。而後為了獲得避免EOPD缺陷的安全工藝視窗，作者針對不同的輸入能量密度進行了大量模擬，以定量地構建了工藝引數與EOPD形成的對映關係，最終發現EOPD缺陷的出現並不與工藝引數呈線性相關。大多數EOPD缺陷是由匙孔形狀和熔體流動引起的。當金屬熔液在凝固過程結束前沒有完全填充匙孔時，軌道末端會出現凹陷。此類EOPD缺陷與能量密度相關，當能量密度低於7×10¹⁰J/m³時，即使熔池處於匙孔模式下也可以防止EOPD缺陷的發生。然而，隨著掃描速度的增加，EOPD缺陷的發生不僅僅取決於能量密度。在高掃描速度下，熔池變得更長、更淺，從而改變了匙孔的形狀。因此，基於P–V關係建立了第二個邊界，如圖2區域K-III所示。曲線邊界表明雷射功率和掃描速度有兩個閾值，分別為160 W和1.1 m/s。有趣的是，該區域K-III與熔池傳導模式區域具有小的重疊，表明EOPD不僅出現在熔池匙孔模式中，而且出現在熔池傳導模式中，儘管EOPD缺陷出現在傳導模式時尺寸很小。這也就是說，匙孔是導致EOPD的主要原因，但不是唯一的原因。

圖1 實驗和模擬中的EOPD缺陷形貌，其中橫截面圖是在具有相同工藝引數的另一樣件中獲取的

圖2 關於EOPD缺陷的工藝視窗圖，其中K-Ⅰ和C-Ⅰ為安全工藝視窗

為了揭示工藝視窗圖中所示的3種EPOD缺陷（EOPD#1: K-Ⅱ, EOPD#2: K-Ⅲ,EOPD#3: C-Ⅱ）的形成機制，分別對三種EOPD缺陷出現時的熔池受力、流動以及凝固進行分析。其中，主要關注雷射關閉前後時刻的熔池。分析發現，在熔池匙孔模式下有兩種EOPD形成機制：在低掃描速度下，由於能量密度較高，雷射關閉後熔池仍受到蒸氣反衝壓力的作用維持關閉前的流動模式，阻礙金屬熔液填補匙孔，同時匙孔的前沿的高溫度梯度使得匙孔從前往後快速固化，從而形成EOPD缺陷；同樣能量密度形成的熔池，具有較高掃描速度的那一組熔池會變得更長更淺，因此在較高的掃描速度下，較長的熔池使其後方熔液向前填補變的困難，較淺的熔池使其能夠快速固化，最終導致匙孔快速轉變為EOPD缺陷。在熔池傳導模式下，EOPD缺陷主要由馬蘭戈尼力使熔池表面波動形成區域性凹陷所致，不過該類EOPD缺陷尺寸較小，所以幾乎是無害的。

圖3 不同EOPD形成機制的熔池受力及流動分析

熔池傳導模式下的EOPD缺陷（EOPD#3）具有窄的工藝引數視窗，並且對整個LPBF過程具有很小的負面影響。因此，沒有必要制定一種特定的方法來減少這類EOPD缺陷。同時為了降低EOPD缺陷的形成頻率，可以採用低速（低於1.1 m/s）掃描策略來避免高掃描速度下的EOPD缺陷（EOPD#2）。因此，在本研究中，我們主要關注在低掃描速度下尋找EOPD缺陷（EOPD#1）的最佳化方法。基於所揭示的EOPD#1形成機制，提出了可變功率掃描的列印方法以抑制或消除EOPD缺陷。在雷射即將關閉的前一小段時間內降低雷射功率，進而縮短雷射關閉後的蒸氣反衝力持續時間，使得金屬熔液能快速地填補匙孔以抑制EOPD缺陷的形成。作者討論了“階梯式”和“漸進式”兩種可變功率策略，發現“階梯式”可變功率策略不僅能夠有效抑制EOPD缺陷，而且不會引入新的缺陷。