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）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。