摘要：激光增材制造（LAM）已广泛应用于航空航天、核能和船舶等高端制造领域。然而，由于存在极大的温度梯度、极快的冷却速率，以及毫秒级时间和微米级空间尺度等特征，对 LAM 过程中复杂的激光-物质相互作用、熔池流动及缺陷形成进行直接、连续的观测仍是一项重大挑战。同步辐
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导读
激光增材制造（LAM）已广泛应用于航空航天、核能和船舶等高端制造领域。然而，由于存在极大的温度梯度、极快的冷却速率，以及毫秒级时间和微米级空间尺度等特征，对 LAM 过程中复杂的激光-物质相互作用、熔池流动及缺陷形成进行直接、连续的观测仍是一项重大挑战。同步辐射技术的出现为 LAM 过程的原位观测提供了可行途径。本文综述了利用同步辐射对 LAM 进行实时表征的最新进展，涵盖了激光-物质相互作用、熔池演化、凝固组织演变以及缺陷的形成与消除。同时，本文还探讨了未来的发展方向及其面向应用的研究前景。
主要图表
图1.同步辐射X射线成像技术在激光增材制造过程中原位表征研究内容示意图。射线照片(i)和（ii）为我方未发表的研究成果，射线照片（iii）改编自参考文献[26]，射线照片（iv）改编自参考文献[27]。
图2.原位同步辐射高速X射线成像与衍射原理示意图[26]。
图3. (a)积分球测辐射结合同步辐射成像系统[53]的实验原理示意图，(b)激光吸收率随时间的变化及对应的熔池成像，(c)激光吸收率随激光钥匙孔不稳定性[16]的变化。
图4. (a)激光扫描过程中激光吸收率的变化[41]，(b)测试数据集上没有粉末层的时间分辨激光吸收预测结果，最左边一列的图像是代表性的扫描激光X射线图像，最右边一列的图像是静态激光图像[56]。
图5.使用钨示踪剂对DED-AM IN718进行马兰戈尼流成像[2]。(a)马兰戈尼对流示意图，（b，c）展示A区和B区钨示踪剂运动轨迹的时间序列影像，(d)DED-AM中三维马兰戈尼对流的示意图。
图6.熔池分离现象示意图[8]。(a)第一层结构中的熔池动力学和飞溅形成机制，(b)第一层中的熔池振荡阶段，(c)后续层中的熔池动力学。
图7.熔池体积计算模型示意图[12]：(a)熔池三个区域的X射线图像。(b)熔池简化几何模型。(c)用于计算熔池体积所需尺寸的二维示意图。(d)在能量密度为260焦耳/平方厘米条件下，三种不同压-量组合的激光单轨扫描熔融轨迹的SEM俯视图像。
图8. (a)结合原位同步辐射X射线成像与快速红外成像的实验示意图[65]，(b)同步校准的红外和X射线图像中可区分的特征[65]。
图9.激光熔化过程中的凝固结构演变。(a)TC4合金在激光熔融过程中柱状生长[26]。(b)镍钼铝合金在激光点熔过程中等轴生长[66]。
图10.钛合金Ti-6Al-4V在激光熔融与凝固过程中的原位高速X射线衍射研究[26]。(a)三个代表性衍射图谱的时间序列，分别采集于−1、3.5和11毫秒时刻。(b)时间分辨衍射强度分布图。(c)具体呈现六方密堆积结构（hcp-（101））与体心立方结构（bcc-（110））的衍射峰强度特征。
图11.制造部件的孔隙形态。(a) Ti-64 LPBF工艺DSPM[11]和(b)样品投影μSXCT重构[14]（红色为球形，其余为非球形）。
图12.两种关键孔道波动机制[58]。（a-e）激光遮挡机制，（f-j）粉末掺入机制。
图13.键孔孔隙工艺流程图[75]。(a)气液相图中的键孔孔隙边界，(b)J形键孔孔隙脱落示意图。
图14.Ti-6242材料在DED工艺中的孔洞形成过程[10]。(a)激光熔池X射线照相图及(b)孔洞推挤机构示意图。(c)图(a)中方框区域的放大时序X射线照相图。
图15.孔隙运动与消除机制[82]。(a)熔池不同区域孔隙运动的原位射线照片，(b)孔隙运动与消除模型示意图。
图16。（a-g）粉末溅射行为随时间和环境压力的变化[27]，以及(h)在1 atm环境压力下进行激光单轨道扫描时的粉末溅射X射线照相[27]。
图17.显示第二层Invar 36熔融轨迹[7]的时间序列X射线图。(a)t=20、460和680 ms时的LAM X射线图，(b)(a)中红色方框的孔隙爆破现象。
图18.（a-h）气泡的运动和随后由其引发的破裂，(i)气泡上方的裂纹点和(j)气泡下方的裂纹点的强度变化[97]。
图19.LPBF过程中的裂纹形成与扩展[17]。(a)原位同步辐射X射线成像实验的裂纹形成示意图。(b)显示裂纹演化的射线照相。
主要结论
总结而言，同步辐射 X 射线成像技术已被广泛应用于激光增材制造（LAM）的实时研究，揭示了熔池流动、熔池形貌演化、气孔的形成、运动与消除机制、飞溅行为以及裂纹的产生与发展。此外，当前研究逐渐聚焦于更具体和复杂的问题，例如活性气氛与金属液体的反应、熔道表面的波峰现象以及外场作用下的凝固组织演化。未来，同步辐射表征 LAM 过程的发展方向包括：
(1) 与其他先进表面表征技术结合（如高速红外成像），研究熔池演化与缺陷形成。表面表征技术可为同步辐射 X 射线成像和衍射提供互补信息，从而更好地监测、理解并最终避免缺陷形成。
(2) 提升同步辐射二维、三维及四维成像的空间分辨率，在纳米尺度揭示凝固显微组织的演化规律，从而更深入理解凝固过程中的形核机理。
(3) 发展超快 X 射线成像技术与快速图像处理方法，捕捉高度非平衡凝固过程中的动态细节。借助机器学习与人工智能，可以实现海量图像的快速处理、图像特征值的标定、缺陷的识别与分析，并深度挖掘大数据中的内在关联。
(4) 拓展至氧化物陶瓷材料研究。金属及非金属氧化物在高温下表现出高强度与优异的抗氧化性能，可作为航空航天领域的理想高温结构材料，因此对熔池动力学及缺陷行为的原位研究有望延伸至氧化物陶瓷体系。
主要信息
Recent progress on in-situ characterization of laser additive
manufacturing process by synchrotron radiation
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来源：江苏激光联盟