多材料金属激光粉末床熔融过程熔池动力学与缺陷形成的动态耦合机制与调控
多材料金属激光粉末床熔融(LPBF)技术作为先进制造领域的重要发展方向，能够实现同一组件内空间成分的精准定制。但在制造过程中，异种合金在极端热力条件下的相互作用导致熔池动力学、匙孔行为和缺陷形成机制极为复杂。当前面临的主要科学挑战包括：缺乏对熔池相互作用、混合诱导不稳定性及缺陷形成机制的完整理解；现有原位成像实验受限于材料依赖的成像对比度，难以解析快速演变的局部成分场；数值模型通常缺乏与时间分辨原位测量数据的定量基准测试。 https://doi.org/10.1002/advs.75723 针对上述挑战，北京大学先进制造与机器人学院张智琅研究员团队联合苏黎世联邦理工学院、保罗谢勒研究所聚焦多材料激光粉末床熔融（LPBF）的核心机理研究，旨在揭示多材料激光粉末床熔融制造过程中材料混合、匙孔不稳定性与缺陷形成的动态耦合机制。研究提出了“原位—仿真—优化”的一体化研究框架，为理解与优化多材料增材制造过程提供了新方法基础。该工作也得到了合作单位苏黎世联邦理工学院（ETHZ）的报道。研究团队采用了一种紧密耦合的实验-计算框架，以Al-Cu系统作为代表性案例。实验方面，利用欧洲同步辐射设施(ESRF)的ID19光束线进行原位同步辐射X射线成像技术，实现了对匙孔、气孔和材料混合前沿的实时演化捕捉，时间分辨率达到微秒级。模拟方面，开发了高保真度的多相、多材料计算流体力学(CFD)模型，包含激光-材料相互作用的光线追踪模型，以及Marangoni对流、反冲压力等多物理场耦合。通过对比不同粉末层厚度(50μm和150μm)条件下的熔池动力学行为，研究团队系统分析了熔池对流强度、匙孔形态演变及成分混合特征。实验与模拟结果在匙孔深度、振荡幅度及形态演变方面表现出高度一致性，验证了模型的准确性。该研究首次定量阐明了不同尺寸气孔的形成路径：大尺寸气孔由匙孔垂直拉伸后底部闭合截留蒸汽腔形成，而小尺寸气孔则分为表面卷入型和残留分裂型两种机制。研究发现粉末层厚度对熔池动力学有显著影响，厚粉末层(150μm)展现出丰富的匙孔形态循环和强烈的材料混合，而薄粉末层(50μm)动力学行为相对简化。连续扫描分析表明，二次扫描能够通过重熔和增强对流提高成分均匀性并减少中等深度孔隙，但需谨慎控制以避免破坏预期的成分梯度。该研究建立了经过实验验证的多材料LPBF机制框架，为通过调控层厚和扫描策略实现缺陷控制提供了定量依据，对推动多材料增材制造技术的工业应用具有重要意义。以题为“Mixing-Driven Defects and Composition Evolution in Multi-Material Metal Additive Manufacturing”的论文发表在《Advanced Science》上。该研究提出了多材料金属增材制造过程优化的两个重要方向：一方面，可通过调控粉末层厚度和能量输入抑制复杂匙孔振荡和混合驱动失稳，从源头降低大气孔形成概率；另一方面，可通过合理设计重熔和重复扫描策略，促进残余气孔消除和成分场调控，为制备低缺陷、可设计成分梯度的多材料金属构件提供依据。该工作不仅深化了对多材料LPBF中材料混合、熔池稳定性和缺陷演化之间关系的理解，更重要的是建立了原位观测与高保真仿真相结合的定量研究范式。相关成果为多材料金属增材制造的工艺窗口拓展、仿真辅助设计和高可靠构件制造提供了理论基础和技术支撑，有望推动功能梯度金属材料、异质结构构件和高性能复杂零件的工程应用。 图1.在不同粉末层厚度下，激光粉末床熔融过程中匙孔形态的瞬态演变。 图2.大孔隙在匙孔塌陷过程中的形成过程 图3.两种不同类型小孔隙的形成机制 图4.通过多种分析验证研究方法的可靠性与模拟结果的稳健性 来源：增材制造硕博联盟
