清華大學(xué)學(xué)者發(fā)表綜述闡述金屬激光增材制造關(guān)鍵機(jī)理

在過去的三十多年中，金屬增材制造技術(shù)（俗稱金屬3D打印）快速發(fā)展，對航空航天、汽車、國防、化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻變革。激光粉末床熔融增材制造（亦被稱作激光選區(qū)熔化）是其中最廣泛使用的技術(shù)之一。然而，迄今為止，學(xué)術(shù)界對激光-物質(zhì)相互作用的認(rèn)識還不夠深刻，對激光熔化模式的定義仍然很模糊、尚未達(dá)成共識。這使得制造無缺陷、微觀結(jié)構(gòu)可控的構(gòu)件仍有困難，限制了激光粉末床熔融增材制造行業(yè)的進(jìn)一步突破。

圖1.金屬激光增材制造中的熔化模式(a)熔化模式定義的物理基礎(chǔ)；(b)-(c)基于靜態(tài)剖析的定義；(d)基于動態(tài)過程的定義

近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系趙滄助理教授在國際物理學(xué)界權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）上發(fā)表了綜述論文“金屬激光增材制造中的激光熔化模式”（Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing）。《現(xiàn)代物理評論》創(chuàng)刊于1929年，是國際物理學(xué)界最權(quán)威的綜述性期刊，每年發(fā)表三十至四十篇學(xué)術(shù)論文，包括諾貝爾物理學(xué)獎演講。該期刊旨在對當(dāng)今物理研究的重大熱點問題作歷史總結(jié)、原理闡述、現(xiàn)狀分析和趨向預(yù)測。此論文是清華大學(xué)在該期刊首篇以第一完成單位、唯一通訊單位發(fā)表的論文，是中國制造領(lǐng)域和冶金領(lǐng)域在該期刊發(fā)表的首篇論文，也是國際增材制造領(lǐng)域在該期刊發(fā)表的首篇論文。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.045002

作者首先闡述了金屬激光粉末床熔融增材制造中的一般物理過程，著重強(qiáng)調(diào)了兩個關(guān)鍵耦合現(xiàn)象：熔化和汽化，匙孔前壁液態(tài)突出物和匙孔失穩(wěn)。這些物理現(xiàn)象驅(qū)動了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定義的基石。之后，根據(jù)熔池和匙孔的表征測量方法，作者將激光熔化模式分為兩類（圖1）。第一類基于靜態(tài)的事后金相剖析，而第二類基于原位、動態(tài)的過程可視化。相比而言，基于過程可視化的定義更加嚴(yán)謹(jǐn)、更具物理意義，為金屬激光粉末床熔融增材制造提供了新的生產(chǎn)指導(dǎo)原則和新的研究方向。作者強(qiáng)調(diào)了匙孔的重要性，并指出基于穩(wěn)態(tài)匙孔熔化模式的增材制造更加高效、可持續(xù)、穩(wěn)健。而這個設(shè)想的實現(xiàn)將依賴于多物理模型、多信息轉(zhuǎn)錄（圖2）以及跨平臺跨尺度過程計量的發(fā)展。

圖2.多信息轉(zhuǎn)錄與知識轉(zhuǎn)移

趙滄為該論文的獨立第一作者和獨立通訊作者。作者還包括清華大學(xué)機(jī)械工程系教授都東、2021級博士研究生師博、2019級本科生陳帥雷，美國弗吉尼亞大學(xué)副教授孫韜、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研究員布萊恩·西蒙茨（Brian Simonds）、阿貢國家實驗室研究員卡邁勒·費扎（Kamel Fezzaa）和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授安東尼·羅萊特（Anthony Rollett）。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)-帝國理工學(xué)院科研創(chuàng)新種子基金等經(jīng)費的資助。