一、研究背景 

激光粉末床熔化成形(L-PBF)作为一种通用的增材制造方法广泛应用于生产和定制具有复杂几何形状和精确控制尺寸的各类部件。然而该技术的发展和应用受到成形过程中复杂多物理场性质的制约，如瞬态温度场、快速加热/冷却和熔池动力学等，导致烧损、孔洞、球化和热裂等缺陷常常难以控制。而进行多物理场热-流耦合建模可以综合考虑L-PBF过程中所涉及的大部分物理问题，预测相应的温度分布、传热和热-流行为、缺陷形成以及微观结构，帮助研究人员了解成形过程中的熔池动力学和缺陷形成机制并优化相应的工艺参数。但由于合金化学成分的改变会引起重要的物理性能产生细微变化，导致该方法在材料设计的可靠性方面仍然存在不足。 

基于此，瑞典皇家理工大学Mohammad Hoseini-Athar教授等人结合相图计算方法和流体动力学计算（CFD）方法，建立了一种热-流计算CFD模型，通过纯Mg、ZK60镁合金和WE43镁合金的热物理性能预测，研究了镁合金热物性（饱和蒸汽压、粘度和凝固温度范围等）差异对熔池动力学的影响规律。研究发现，合金的饱和蒸汽压越高，不稳定键孔越深，合金的孔隙率和烧损也越大；较高的粘度和较宽的凝固温度范围会加剧孔壁处温度和熔体速度的变化和不均匀分布，导致键孔的不稳定性增加并形成缺陷。根据研究结果，确定WE43合金在缺陷形成和蒸发质量损失方面表现最好，为该合金在L-PBF中的广泛应用提供了理论支持。因此本文所提出的这一方法，对设计和开发适用于L-PBF新型镁合金具有十分重要的指导意义。 

二、图文导读 

 文章首先通过相图计算（CALPHAD）方法确定了纯Mg、ZK60合金和WE43合金的热物理性能参数，并将这些与温度相关的特征参数作为求解所需要的边界条件导入到流体力学计算（Computational Fluid Dynamics）模型中，并采用网格收敛指数（Grid Convergence Index）方法来精确计算离散化误差，计算结果如图1(a)-(i)所示。基于WE43合金激光粉末床熔化成形的实验数据对模型进行了验证，验证结果表明，在不同的激光功率和扫描速率下，计算获得的熔池深度与实验结果均吻合较好，如图1(j)所示。从图1(f)中可以发现，当键孔深入穿进材料时，由马朗戈尼里效应引起的键孔壁波动会导致“J”形键孔的形成，这一现象将使激光在到达键孔的底部之前因为过度反射而失去能量，从而阻碍激光进一步向键孔底部穿透，并因此导致键孔壁上的温度分布不均匀；同时由于熔池中温度和熔体速度的差异，熔池前后壁将形成突起，该突起进一步以坍塌的方式形成桥接，导致气泡的形成，此时桥接的顶部将受到激光的直接照射，其温度和反冲压力增加，并将气泡向合金深处推动；最后气泡在表面张力的作用下逐渐重塑，形成球形或近球形的稳定孔洞。如果此时键孔仍未达到稳定状态，将持续形成突起、桥接和气泡的推挤，最终形成图1(c)所示的缺陷形式，该结果与在L-PBF过程中获得的原位同步x射线成像结果一致。 

 图1 通过模拟WE43合金激光粉末床熔化成形得到的不同工艺参数下(a)-(i)基板的XY截面，红线表示轨道轮廓，

(j)基板和粉床的熔体池深度的验证结果 

饱和蒸汽压高度依赖合金的化学成分，由成分变化导致饱和蒸汽压的微小差异又会引起反冲压力的变化，进而影响激光粉末床熔化成形过程中的熔池动力学和合金烧损量，较高的饱和蒸汽压导致反冲压力的增加并形成了一个更深的键孔，以及更多由于键孔诱导产生的孔洞。这一方面是由于反冲压力会将合金推向气体/合金界面的相反方向，因此较高的反冲压力会导致更深的键孔；另一方面，激光在较深键孔中发生多次反射，引起键孔壁上温度的不均匀分布，进一步形成分布不均匀的高反冲压力，导致键孔壁收力不平衡而引发波动，键孔变得更加不稳定并通过持续地坍塌并最终形成大量孔洞缺陷，如图2所示。值得注意的是，不仅降低饱和蒸汽压可以减少键孔诱导的孔洞数量，通过改变成分和饱和蒸汽压来改变蒸发温度的方法也可以达到同样的效果。在较低的蒸发温度下，反冲压力施加在垂直于键孔壁面的力分布较为均匀，此时较高的反冲压力反而能够提高键孔的稳定性并防止孔壁发生坍塌，使孔洞缺陷最小化。这一研究结果也表明，在激光粉末床熔化成形过程中，在不改变工艺参数的条件下，仅通过控制合金材料的热物理性能也能通过相同的机制达到控制缺陷的目的。 

 图2 在激光功率为350 W，扫描速度为1250 mm/s的条件下，饱和蒸汽压对温度、熔体速度、熔池深度和键孔诱导孔隙率的影响：

(a)和(e)为纯Mg、(b)和(f)为WE43合金(低蒸汽压)、(c)和(g)为ZK60合金(高蒸汽压) 

显然，温度梯度会形成表面张力梯度，从而导致具有高表面张力的熔体流向低表面张力区域，即马兰戈尼驱动效应。熔体在马兰戈尼驱动效应的影响下将形成从激光束中心（最高温度）向熔体池边缘（温度较低）的环形流动，采用无量纲马兰戈尼数（热毛细引起的剪应力或表面张力与流体中粘性应力的比值）来更清楚的评估这一现象，分别对纯Mg（低粘度）、ZK60合金和WE43合金（高粘度）的马兰戈尼数进行了计算，结果分别为3660、3408和2698。粘度较高，增加了表面张力需要克服的粘性力，从而导致马兰戈尼效应驱动的流动不明显。因此在粘度较低的情况下(纯Mg)，其熔体流动的速度相比粘度较高时（WE43合金）熔体的流动速度要大一些。换句话说，熔体的粘度较高会阻止熔池横向流动并在熔池的顶部形成一个具有曲率半径的形状，而粘度较低的合金，熔体更容易向外流动，并形成一个更平坦的凝固轨迹，同时马兰戈尼效应所驱动的熔体流动还能够改善合金的润湿性、促进一些表面孔洞的填充，并降低多个轨迹沉积时所形成的熔合孔洞。 

 虽然粘度变化并未引起熔池深度和孔洞数量的差异，但粘度较高时，孔洞的尺寸通常较大，如图3所示。从图中给出的低粘度和高粘度熔体中气泡被捕获的连续过程可以看出，气泡虽然都是通过突起、桥接和推挤的机制被捕获，但不同粘度情况下，桥接位置的熔体速度是不同的，如图3(e)和图3(h)所示。当桥接形成时，其顶面受到激光的直接照射，温度急剧升高，反冲压力增大并导致周围熔体速度增大，局部流动的增强可能使气泡冲破桥接位置而发生逃逸，这将不会在凝固的合金中留下缺陷。因此，对于低粘度的情况，桥接位置附近，尤其是键孔底部和搭接桥顶部的熔体在高反冲压力下更容易向下流动，如图3(e)中所显示的溶体流动速度，因此在熔体内部较强向下冲击力的作用下，气泡有机会在被固/液界面捕获之前从熔池中逃逸，如图3(f)。而对于高粘度的情况则正好相反，桥接位置附近较低的溶体流动速度阻碍了向外推出气泡的倾向，此时气泡被捕获并推向熔体深处的几率很大，如图3(i)。 

 此外，低粘度熔体中形成的气泡也会在熔体较高的流速下发生重塑和收缩，与粘度较高的情况相比，孔洞的尺寸会更小。值得一提的是，由于粘性流动和传热高度依赖于激光粉末床熔化成形的工艺条件，因此在实际实验中，更高的粘度反而可以获得更好的键孔稳定性，从而导致更低的键孔诱导孔隙率。通过比较不同凝固温度范围下键孔的几何形状可以发现，发现键孔的形状随凝固温度范围的变化而发生了较大的改变，凝固温度范围较大时会形成一个更明显的“J”形键孔，这是由于键孔前后部分在温度分布和糊状区范围上的差异而导致的。当键孔穿入材料时，其后壁位置熔池的高变形能力会引起涡流，并形成“J”形的键孔，此时该键孔尾部的上下孔壁部分由于受到激光照射和反射的程度不同而形成较大的温差，上部相对于底部的温度更高，凝固温度范围较宽时，在键孔尾部的上壁上会形成一个较大的糊状区，同时下壁的凝固速度高于上壁，这使得键孔尾部下壁位置的溶体流动会被糊状区产生的粘滞阻力所抑制，最终形成一条带有更长尾巴的“J”形键孔，同时较大的凝固温度范围还会加剧键孔附近温度和熔体速度的不均匀性，进一步促进键孔壁的坍塌和更多孔洞的形成。 

 图3 (a) 纯Mg(低粘度)， (b) ZK60合金和(c) WE43合金(高粘度)的XY截面。

连续在纯Mg(d-e)和WE43合金(g-i)中显示气泡捕获过程。激光沿X方向运动(激光功率350w，扫描速度1250mm /s) 

使用350 W的激光功率和1250 mm/s的扫描速度对纯Mg、ZK60合金和WE43合金进行了单轨沉积的模拟。模拟结果表明，在稳定区域，ZK60合金的熔池最深，而WE43合金的熔池最浅，同时，ZK60合金中还存在更多的孔洞。显然，这种差异是由于密度、蒸汽压、粘度和凝固温度范围的变化造成的，ZK60具有高蒸汽压和宽凝固温度范围，是导致该合金的熔池更深、更不稳定和缺陷最多的主要原因。虽然WE43也具有校宽的凝固温度范围和更高的粘度，但其熔池深度不稳定性很低且由键孔诱导形成的孔隙率也很低，这一现象表明，WE43合金较低的蒸汽压在稳定键孔和降低孔洞缺陷方面比粘度和凝固温度范围的贡献更大。因此，低键孔诱导的缺陷和低蒸发烧损量的联合效应可能是WE43合金更加用于L-PBF方法成形的原因。 

 三、结论与展望 

 综上所述，本研究通过相图计算方法和流体动力学计算结合的方法建立了一种热-流计算CFD模型，参数化研究了镁合金热物性(饱和蒸汽压、粘度和凝固温度范围等)差异对熔池动力学的影响规律，研究提出并验证了键孔诱导气泡形成孔洞缺陷的机制，同时发现较高的饱和蒸汽压会导致更明显的键孔缺陷和合金烧损，但较低的蒸发温度则可以通过更均匀的反冲压力分布来稳定键孔并减少缺陷；此外，较高的粘度和较宽的凝固温度范围则会加剧了键孔壁中温度、熔体速度和力的不均匀分布，导致更严重的气孔形成和卷入。研究还通过对镁及其合金进行的单轨沉积的模拟，提出了蒸汽压在稳定键孔和降低孔洞缺陷方面的影响比粘度和凝固温度范围更大。本文提出的方法对设计和开发适用于L - PBF的新型镁合金具有重要的理论意义和实践价值。 

 四、文章信息 

 该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第6期

 [1] Mohammad Hoseini-Athar*, Mikael Ersson, Peter Hedström, Towards implementation of alloy-specific thermo-fluid modelling for laser powder-bed fusion of Mg alloys [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(6): 2327-2344. 

 五、中文摘要 

 多物理场热-流耦合模型已被广泛应用于研究激光粉末床熔覆( L-PBF )过程中的熔池动力学和缺陷形成机制，以及优化相关的工艺参数。然而，该方法能否作为材料设计的可靠工具仍然存在一个问题，即能否准确反映因材料相关参数发生微小变化时产生的影响。本研究首先开发了热-流耦合计算的流体动力学(CFD)模型，并通过实验数据进行了验证。通过对纯镁和商用ZK60和WE43两种镁合金材料物理性能的预测，并采用参数化方法研究了饱和蒸汽压、粘度和凝固温度范围等材料物理性能的差异对熔池动力学的影响。研究发现，ZK60合金较高的饱和蒸汽压会导致更深的不稳定键孔，增加键孔型气孔和合金的烧损。而较高的粘度和较宽的凝固温度范围会增加键孔壁温度和熔体速度分布的不均匀性，导致键孔的不稳定性增加和相应缺陷的形成。最终，WE43合金在缺陷形成和合金烧损方面的表现最好，这一结果也为该合金在L - PBF中的广泛应用提供了理论支持。综上，本研究提出了一种研究材料相关热物性参数对L - PBF熔化和凝固过程影响的方法，该方法对未来设计适用于L - PBF的新型合金具有非常重要的实践意义。 

 六、英文摘要

 Multi-physics thermo-fluid modeling has been extensively used as an approach to understand melt pool dynamics and defect formation as well as optimizing the process-related parameters of laser powder-bed fusion (L-PBF). However, its capabilities for being implemented as a reliable tool for material design, where minor changes in material-related parameters must be accurately captured, is still in question. In the present research, first, a thermo-fluid computational fluid dynamics (CFD) model is developed and validated against experimental data. Considering the predicted material properties of the pure Mg and commercial ZK60 and WE43 Mg alloys, parametric studies are done attempting to elucidate how the difference in some of the material properties, i.e., saturated vapor pressure, viscosity, and solidification range, can influence the melt pool dynamics. It is found that a higher saturated vapor pressure, associated with the ZK60 alloy, leads to a deeper unstable keyhole, increasing the keyhole-induced porosity and evaporation mass loss. Higher viscosity and wider solidification range can increase the non-uniformity of temperature and velocity distribution on the keyhole walls, resulting in increased keyhole instability and formation of defects. Finally, the WE43 alloy showed the best behavior in terms of defect formation and evaporation mass loss, providing theoretical support to the extensive use of this alloy in L-PBF. In summary, this study suggests an approach to investigate the effect of materials-related parameters on L-PBF melting and solidification, which can be extremely helpful for future design of new alloys suitable for L-PBF.