激光天地導讀：目前對激光增材製造過程中激光與物質之間的相互作用和凝固現象背後的規律並不清晰。這延緩了該技術的發展和優化升級。本文通過原位高速同步X射線進行操作，揭示了沉積第一層和沉積第二層時的內在物理機制。研究發現激光能量誘導的氣體/蒸汽流促進了激光熔道的形成和通過飛濺（速度1m.s-1）形成裸露 區域。同時揭示了由於Marangon效應驅動所造成的氣孔遷移機制（循環速率為0.4m.s-1），氣孔的溶解和分散，同時繪製出用於熔化特性的工藝圖：隨線能量下降熔道形貌從連續到橢圓到不連續熔道的變化以及隨激光功率的增加促進熔池潤溼性的增加。該研究結果澄清了激光增材製造的機制，這對該技術的發展非常重要。這一重要結果發表在頂刊《Nature Communications 》上。
激光增材製造技術，主要包括鋪粉式激光增材製造和送粉式激光增材製造兩大類，主要採取熔化金屬、陶瓷和其他粉末或絲材，通過層層堆積來製造出複雜形體的過程。激光增材製造在學術界和工業界引起了人們極大的興趣和關注。激光增材製造技術在關鍵重要領域的應用，如渦輪葉片、生物醫療和能量存儲器件等領域的進一步應用卻受到限制。這主要是因為面臨著一系列的挑戰，如尺寸精度問題和存在缺陷等。包括粉末熔化不充分、殘餘的空隙和飛濺等。這些缺陷的存在會導致產品的性能不均一（如屈服強度和疲勞性能），從而在服役過程中會發生危險。為了減少在激光增材製造過程中發生缺陷的可能性，就需要對激光與物質的相互作用和粉末在凝固過程中的凝固機理有一個清晰、深入的認識。
在LAM製造Invar36合金進行單道沉積時不同時間觀察到的熔池瞬時形態
在激光增材製造過程中，激光與物質的相互作用可以這樣描述，激光束接觸粉末顆粒、粉末顆粒吸收激光能量開始熔化、形成金屬蒸汽等。粉末凝固包括熔化進入熔池的粉末和被激光照射而發生熔化的粉末、粉末形成熔池而後流動、飛濺並凝固的過程。在當前，由於複雜的熔池行為發生-結束的時間非常短暫（10-6~10-3s），導致這些問題發生的機理問題的研究非常不容易，從而造成認識不足。
不同工藝參數下獲得的不同時間條件下的熔道形貌
目前採用激光增材製造（LAM）設備中的在線監測裝置已經部分解決了這些過程中背後機制的揭示問題，如飛濺和線性凝固過程。這些原位觀察設備為LAM增材製造過程中的計算模擬提供了非常便利的幫助。然而，熔池中的流體動力學行為，作為熔池熔道形成的重要環節，並不曾被深入理解。這不僅阻礙了我們對增材製造的認識和理解，也妨礙了過程模擬工具的發展。
LAM製造Invar36合金時獲得的不同時間時的圖像
第三代同步輻射源可以提供高通量的X射線，這使得獲取前所未有的高空間分辨率（幾微米）和時間分辨率（十分之一微妙）。這一技術已經被用來捕獲激光焊接過程中的熔池動力學研究。同時，在激光束靜止不動時誘導產生的熔池的匙孔氣孔的形成和演化也進行了研究。
LAM製造兩道時獲得的飛濺和氣孔
本文中，我們採用原位同步輻射X射線影像技術研究了激光增材製造過程中的缺陷形成和熔池動力學機制。我們揭示並解釋了熔道、飛濺以及氣孔形成的機制，包括氣孔的遷移、溶解、分佈和爆滿。本文的研究方法和得到的結果有助於理解增材製造國內工藝過程和用於其他材料加工工藝技術的研究，如激光焊接和激光熔覆。在這些工藝過程中，氣孔和飛濺的形成也是常見的過程。
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