清华大学学者发表综述阐述金属激光增材制造关键机理
在过去的三十多年中，金属增材制造技术（俗称金属3D打印）（ 2022中国有色金属智库湘江论坛）快速发展，对航空航天、汽车、国防、化工、医药、能源等领域产生了深刻变革。激光粉末床熔融增材制造（亦被称作激光选区熔化）是其中最广泛使用的技术之一。然而，迄今为止，学术界对激光-物质相互作用的认识还不够深刻，对激光熔化模式的定义仍然很模糊、尚未达成共识。这使得制造无缺陷、微观结构可控的构件仍有困难，限制了激光粉末床熔融增材制造行业的进一步突破。
图1.金属激光增材制造中的熔化模式(a)熔化模式定义的物理基础；(b)-(c)基于静态剖析的定义；(d)基于动态过程的定义
近日，清华大学机械工程系赵沧助理教授在国际物理学界权威期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）上发表了综述论文“金属激光增材制造中的激光熔化模式”（Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing）。《现代物理评论》创刊于1929年，是国际物理学界最权威的综述性期刊，每年发表三十至四十篇学术论文，包括诺贝尔物理学奖演讲。该期刊旨在对当今物理研究的重大热点问题作历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。此论文是清华大学在该期刊首篇以第一完成单位、唯一通讯单位发表的论文，是中国制造领域和冶金领域在该期刊发表的首篇论文，也是国际增材制造领域在该期刊发表的首篇论文。
论文链接：
https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.045002
作者首先阐述了金属激光粉末床熔融增材制造中的一般物理过程，着重强调了两个关键耦合现象：熔化和汽化，匙孔前壁液态突出物和匙孔失稳。这些物理现象驱动了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定义的基石。之后，根据熔池和匙孔的表征测量方法，作者将激光熔化模式分为两类（图1）。第一类基于静态的事后金相剖析，而第二类基于原位、动态的过程可视化。相比而言，基于过程可视化的定义更加严谨、更具物理意义，为金属激光粉末床熔融增材制造（ 2022中国有色金属智库湘江论坛）提供了新的生产指导原则和新的研究方向。作者强调了匙孔的重要性，并指出基于稳态匙孔熔化模式的增材制造更加高效、可持续、稳健。而这个设想的实现将依赖于多物理模型、多信息转录（图2）以及跨平台跨尺度过程计量的发展。
图2.多信息转录与知识转移
赵沧为该论文的独立第一作者和独立通讯作者。作者还包括清华大学机械工程系教授都东、2021级博士研究生师博、2019级本科生陈帅雷，美国弗吉尼亚大学副教授孙韬、国家标准与技术研究院研究员布莱恩·西蒙茨（Brian Simonds）、阿贡国家实验室研究员卡迈勒·费扎（Kamel Fezzaa）和卡内基梅隆大学教授安东尼·罗莱特（Anthony Rollett）。该研究得到了国家自然科学基金、清华大学-帝国理工学院科研创新种子基金等经费的资助。
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