根據長三角G60雷射聯盟陳長軍的市場洞察，同步輻射X射線衍射（XRD）可以用來确定材料的晶體結構，包括晶體的晶格參數、晶體缺陷、相變等。通過X射線熒光（XRF）技術，可以對材料的成分進行非破壞性分析，這對于研究材料的化學組成和元素分布非常有用。同步輻射技術因其高亮度、高能量和高分辨率的特點，在材料科學的研究中發揮着越來越重要的作用。
根據材料學網，上海交通大學材料科學與工程學院的研究人員在雷射增材制造領域取得了顯著進展，特别是在利用同步輻射原位研究方面。他們通過同步輻射高能X射線快速成像技術，對高熵Cantor合金在多層定向能量沉積（DED）過程中的孔洞形成和演化進行了深入研究。
▲https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0890695524000671
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同步輻射技術可以用來研究材料在外界條件（如溫度、壓力、磁場等）變化下的動态過程，如相變、擴散、化學反應等。同步輻射技術可以用于原位實驗，即在實驗過程中實時觀察材料的變化，這對于了解材料的實體和化學行為至關重要。”
3D科學谷發現
3D Science Valley Discovery
關鍵點：
- 研究團隊揭示了三種新的孔洞形成機制，并驗證了三種已知的孔洞生成機制。此外還提出了一種基于熔池尺度流場高時空分辨表征的新機制，用以調控馬蘭戈尼流，實作孔隙消除。這些發現對于高熵合金的增材制造具有重要意義，為開發精确的計算模型和深入了解熔池微觀尺度下的孔隙控制政策提供了關鍵實驗資料。這項研究不僅對高熵合金的增材制造有重要意義，也對其他新型合金體系的DED工藝參數優化、開發可靠的高保真計算模型以及從熔池尺度調控缺陷具有理論指導意義。
Insights that make better life
同步輻射原位研究領域
上海交通大學材料科學與工程學院董安平研究員、熊良華副教授、杜大帆副教授、何林助理教授課題組聯合北京中國科學院高能實體研究所張兵兵副研究員團隊，在雷射增材制造同步輻射原位研究領域取得了重要進展，相關研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”為題發表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上，這是國内首篇僅利用國内同步輻射資源發表的原位增材高水準文章。
“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析
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該工作利用同步輻射高能X射線快速成像技術，對典型高熵Cantor合金在傳導模式下的多層定向能量沉積（DED）過程進行了原位研究，揭示了三種新的孔洞形成機制，并驗證了三種已知的孔洞生成機制；與此同時，基于熔池尺度流場高時空分辨表征，提出了一種調控馬蘭戈尼流實作孔隙消除新機制。這些發現為高熵合金的增材制造提供了關鍵的實驗資料，有助于開發精準的計算模型和深入了解熔池微觀尺度下的孔隙控制政策。上海交通大學材料科學與工程學院博士生張書雅為論文第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院孫寶德教授、董安平研究員、熊良華副教授、中國科學院高能實體研究所張兵兵副研究員為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成機關。
▲圖1 同步輻射原位研究雷射定向能量沉積增材制造過程，從熔池尺度高精度高時空分辨揭示内部孔洞形成及演化新機制。
雷射定向能量沉積（Laser Directed Energy Deposition, LDED）增材制造技術快速實作三維複雜幾何形狀和大尺寸元件的高品質制造，并且能夠制備微觀結構可調的新型合金和功能梯度合金，在航空航天、生物醫學和核能領域具有重要應用。
然而，與傳統的鑄造和焊接工藝相比，3D列印産品通常表現出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸，難以保障其雷射列印一緻性和穩定性，嚴重影響了零件的力學和服役性能。是以，通過優化工藝過程以減少孔隙，對于列印高熵合金等新型金屬至關重要。然而，目前對于多層DED過程在傳導模式下孔洞形成機制的系統性分析仍然有限；熔池内部形成的孔洞如何随熔流演變并互相作用？這些基礎科學問題對于減少甚至消除孔隙至關重要，而多實體模拟熔流對孔隙往往依賴高精度實驗資料，目前在多道次DED原位實驗研究尚未報道。
▲圖2 同步輻射快速成像原位研究DED過程。（a）利用高能快速X射線成像技術實時監測粉末輸送示意圖；（b）同步輻射線站原位表征裝置圖。
針對上述問題和挑戰，研究人員利用同步輻射高能X射線快速成像技術，高時空分辨穿透高溫金屬熔體，實時觀察到高動态微尺度下熔池和氣孔的動态演變過程，原位研究了傳導模式下多層DED過程中多種合金體系（從鋁基、钛基、鎳基合金到高熵合金）中的孔洞形成及演化行為，闡明了熔池内六種孔洞生成機制和三種孔洞演化機制。
▲圖3 同步輻射快速成像高時空分辨表征熔池形貌，定量化資料可以标定和輸入高保真模型。
研究還發現，典型Cantor高熵合金中存在獨特的逆Marangoni對流現象，有助于延長孔洞的生存時間。在熔池循環區，孔洞沉降至雷射互相作用區相鄰位置的熔池底部，随後被推至熔池尾部；在接觸到凝固前沿之前向上移動，并重新進入熔池内部循環。長壽命孔洞通常會在熔池雷射互相作用區和循環區相鄰位置合并，容易向高溫區域移動，在熱毛細力和浮力主導下經由熔池表面逃逸。這些發現對高熵合金等新合金體系DED工藝參數優化、開發可靠的高保真計算模型以及從熔池尺度調控缺陷等具有理論指導意義。
▲圖4 Cantor合金多道次熔覆後熔道形貌，可以看出雷射能量密度嚴重影響多道次熔道内部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固後成形品質。
▲圖5 同步輻射原位表征資料定量化分析熔池内部孔洞的捕獲和消除行為
上述相關研究得到了國家自然科學基金委（編号：52201017和52071205）、國家重點研發計劃（項目号：J2019-VI-0004-0117）、國家重大科技專項（項目号：2021YFB3703400）、上海市浦江人才計劃（22PJ1408000）以及中國科學院高能實體研究所等項目和機關的支援。
上海交通大學凝固科學與技術研究所
上海交通大學凝固科學與技術研究所聚焦于高性能金屬材料先進制造及凝固理論研究，特别是在高溫合金調壓鑄造和雷射增材制造方面，具備國内領先的首台套工業級裝置，并與國内外一流大學和研究院所保持長期深入合作關系。近年來主持國家973計劃1項，國家自然科學基金重大儀器專項2項，面上項目20餘項，青年基金項目3項，以及部分上海市科委、經信委、教委的科研項目，同時承擔了多項企業委托課題。團隊長期誠聘高溫合金調壓鑄造、雷射增材制造、同步輻射原位表征等方向博士後，聯系人：董安平（[email protected]）。
來源
材料學網 l
上海交通大學凝固科學與技術研究所：在雷射增材制造原位研究領域取得重大進展
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載