盖世汽车讯 当观看激光金属增材制造（AM）过程时，一般看到的只是其中的一部分。在一种金属增材制造工艺中，高功率激光束扫过金属粉末层，形成一个微小的熔融金属池——通常只有几根头发丝那么宽。在瞬间，移动激光束下方的金属粉末被加热、熔化、流动并凝固成连续的金属。

这短短一瞬间的循环塑造了金属的微观结构——其内部结构的微观排列和特征，这些因素决定了最终零件的强度、韧性和耐久性。这个过程逐层重复，直到得到所需的三维（3D）零件。

图片来源：加州大学圣巴巴拉分校

为了了解这种快速加热、熔化和凝固过程如何影响最终部件，并能够逐层调整部件的性能，首先需要了解熔池在演变过程中瞬态热条件的变化。激光并非仅仅熔化材料表面，而是熔化表面以下的区域，从而形成三维熔池。问题在于，熔化点的凝固和微观结构的形成是三维的，发生在研究人员的相机无法观测到的区域。

这就引出了一个问题：“我们如何才能确定熔池表面以下控制金属凝固并最终决定其性能的瞬态热条件？”这将有助于理解并最终控制三维金属打印过程。

据外媒报道，在最近发表于《通讯材料》（Communications Materials）的一项研究中，加州大学圣巴巴拉分校（University of California Santa Barbara）的研究人员开发出一种将高速红外成像与计算建模相结合的方法，从而能够穿透表面，将实验可观测的范围扩展到其下方的隐藏区域。简而言之：利用可测量的信息重建了无法测量的信息。

利用高速红外成像技术捕捉熔池表面

在研究中，研究人员使用激光熔化MAR-M247，这是一种用于涡轮叶片和其他需承受极端高温的部件的镍基高温合金。红外摄像机可以实时追踪激光在材料表面移动时温度的快速变化。

在本研究中使用高速红外成像技术来追踪熔池表面温度。然而，一个重要的问题仍然存在：“我们如何利用这些表面测量数据来揭示熔池边界以及表面下方的凝固条件？”

将实验扩展到三维空间

一种方法是开发激光熔化模拟程序，并尝试从头开始计算所有过程——激光能量如何吸收、热量如何扩散以及熔融金属如何运动。这些模型确实功能强大，但计算成本高昂，并且依赖于一些难以确定的假设和材料属性。

研究人员没有运行模拟程序，然后将其与红外数据进行比对，而是将测得的表面温度直接输入到三维计算机模型中，并利用其物理原理重建了快速变化的测量表面温度下方的热场演变过程。

这种实验与仿真相结合的方法具有独特的优势：红外相机已经捕捉到了表面复杂物理过程的真实结果，因此可以利用这些测量数据来构建模型，而不是使用基于假设的解决方案。最终，研究人员得到了表面下方温度场的三维重建——这得以窥见仅凭实验无法展现的区域。

三维观察熔池凝固过程

通过重建温度场，研究人员追踪了熔融金属和固态金属之间三维边界的移动。这使研究人员能够计算一些极难直接测量的参数：熔池不同部分的凝固速度以及材料凝固过程中温度的分布情况。

重要的是，研究人员发现这些条件并非均匀一致。即使激光速度恒定，凝固行为在边界处也会有所不同——这比将凝固过程视为基于激光功率和扫描速度的单一代表性条件要详细得多。

从温度到微观结构

研究人员使用电子显微镜对凝固材料进行了观察，并将其与基于重建的三维凝固条件构建的集成模型预测结果进行了比较。重建的条件捕捉到了实验观察到的不同激光加工条件下特征微观结构长度尺度和生长方向的变化。

这种联系在实验室之外也至关重要。如果想要制造出性能可预测、可靠的3D打印零件——例如涡轮叶片、医疗植入物、航空航天部件或其他关键应用——那么在制造过程中，仅仅了解激光功率和扫描速度是不够的。

研究人员需要了解这些参数如何产生局部热条件，这些条件如何驱动凝固，以及凝固如何构建最终的微观结构。建立这种工艺-结构关系是制造出性能更可预测的零件的重要一步。

实验和模型相辅相成，共同完善彼此的认知。

实验告诉研究人员实际发生了什么，但仅限于仪器能够触及的范围：在本例中，即熔池表面。模型可以带研究人员进入无法直接测量的区域，但其精度取决于模型中预设的假设。将两者结合起来，可以弥补彼此的盲点——这一经验不仅适用于3D打印，也适用于其他工程过程，因为在这些过程中，重要的物理现象往往发生在难以直接观察的区域。

预测材料形成过程

想象一下，一台3D打印机配备红外摄像头，实时监测材料表面的构建过程，并将数据输入到基于物理的快速模型中。该模型能够重建表面之下的隐藏状态，并预测微观结构逐层发展的过程。

研究人员的长期愿景是，这些信息能够帮助构建闭环反馈系统，实现实时逐层过程控制——识别不良的加工条件，并在其影响最终部件之前进行调整。

在实现这种实时控制成为常规操作之前，还有大量工作要做。但这项研究指明了一条途径：从研究人员可见的表面获取信息，延伸到无法看到的区域，并最终与材料的结构和属性本身相连。