摘要：近期，在伦敦大学学院机械工程系材料、结构与制造研究组（MSMaH）主导下，由英、美、加、中四个国家顶尖科研单位合作完成的一项工作发表在Science杂志上。

近期，在伦敦大学学院机械工程系材料、结构与制造研究组（MSMaH）主导下，由英、美、加、中四个国家顶尖科研单位合作完成的一项工作发表在Science杂志上。

官方免费下载链接可在MSMaH网站找到：https://www.UCL.ac.uk/materials-harwell/

团队长期致力于外场在先进加工领域的研究，专注于利用磁场在3D打印领域的创新。在前期工作基础上（X. Fan et al 2023, Acta Materialia; X. Fan et al 2023, Additive Manufacturing），取得了新的突破进展并被多家单位媒体跟踪报道: https://science.altmetric.com/details/174366931/news

▲https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554

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3D科学谷洞察

物理场在增材制造中的应用不仅能够显著改善打印质量和效率，还能为制造复杂功能材料提供新的可能性。”

研究背景

增材制造，也被称为3D打印，使工程师能够构建具有复杂设计和精细细节的机械零件，这些在其他工艺中难以实现。然而，为了在汽车和航空工业中进一步采用该技术，仍需克服一些关键挑战，因为在3D打印过程中，高度聚焦的激光束快速扫描金属粉末床以熔化粉末，但往往会留下削弱材料强度的孔隙。

如今，来自伦敦大学学院（UCL）和格林威治大学的科学家们利用阿贡国家实验室的先进光子源（APS），识别了新的孔隙形成机制，并证明施加适当的磁场可以显著减少孔隙问题。

▲图1（A）APS同步辐射光源32-ID线站上搭建的粉末床增材制造设备，（B）获得的图像数据清晰显示了匙孔和熔池的固液界面，（C）施加磁场前后孔洞对比。

▲图2文中通讯作者和他们的其中一个原位同步辐射增材制造设备，从左往右依次为Andrew Kao，范贤强，Peter D. Lee， Chu Lun Alex Leung

研究进展

最新进展主要分为：实验观察到特定磁场下匙孔稳定性极大提高，孔洞面积减少80%；提出新方法定量化匙孔振荡并给出了深入的机理解释；通过无量纲分析给出了加工参数选取以及材料设计方面的指导。

孔洞的产生源于一种称为“匙孔不稳定性”的过程。打印中使用的激光功率可超过200 W，聚焦到约50微米大小的光斑，照射在粉末表面。强烈的加热导致局部沸腾，形成金属蒸汽，蒸汽向下推入熔池中，形成一个凹陷区域，称为“匙孔”。

匙孔并不稳定，它以快于1毫秒的速度振荡。同时激光扫描过程会导致巨大的温度梯度，范围从金属合金的熔化温度到蒸发温度（铝合金约为3000°C）。液体从低表面张力区域流向高表面张力区域，以最小化自由能，该流动通常称为马兰戈尼流动。匙孔后壁上的流动使其比前壁更容易受到波动和坍塌的影响。当激光以大约1米/秒的速度扫描粉末床时，强烈的熔体流动会使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能会断裂并形成气泡，最终成为零件中的孔隙。

研究团队发现，如果磁场的方向与激光移动的方向垂直，熔池中引入的洛伦兹力足以改变流动，从而抑制匙孔振荡，锁孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不会断裂形成孔隙。正确施加磁场后，孔隙面积减少了80%以上，且剩余的孔隙更小。

▲图3施加磁场前后匙孔形貌对比以及孔洞缺陷情况对比

然而，施加磁场会同时激活电磁阻尼（EMD）和热电洛伦兹力，后者驱动的流动称为热电磁流体（TEMHD）。这项研究解决了一个长期存在的争议，即哪种机制（EMD或TEMHD）负责稳定匙孔，由于增材制造过程的微小熔池尺度，研究证明TEMHD效应起了主导作用。

为了观察这一过程，研究人员使用了APS的32-ID光束线，这是唯一能够提供足够通量以满足所需成像速率的X射线源。为了捕捉发生在1毫秒内的匙孔振荡，必须以每秒超过10万帧的速度获取图像。团队在光束线上改装了一台定制的3D打印机，设置了一个可以在激光下快速移动的样品床，并填充了AlSi10Mg粉末，这是一种由铝、硅和镁组成的轻质合金，其中高硅含量为系统增加了类似半导体的特性。研究人员开发了一系列的图像处理方法，提出了基于图像处理的定量化匙孔振荡的新方法。

▲图4（A-C）匙孔震荡定量化方法和结果，（D，E）不同扫描方向条件下熔池内部流动的可视化结果对比，两者均为施加相同磁场情况。

在传统的磁流体动力学（MHD）中，电磁阻尼（EMD）通常被认为是主要的制动力。在本研究中，通过计算哈特曼数，

（定义为电磁阻尼（EMD）与粘性力比值的平方根）以及热电磁力与电磁阻尼的比值，

（如果该比值远大于1，则热电磁力是主要的制动力），结合磁场作用下不同扫描方向的流动特征，研究人员可以确定哪种机制是主导因素。研究人员的计算结果

，表明热电磁流体对于稳定匙孔起主导作用而非电磁阻尼。这些无量纲比值包括了材料物性参数和熔池尺寸信息（加工参数决定），为进行下一步的材料设计和加工窗口优化提供了关键指导。

，时长00:13

未来展望

基于该研究发现，团队成员正在尝试通过脉冲磁场进一步扰动流动。他们希望这能够在材料内部形成更细的晶粒，从而获得更好的机械性能。

作 者

范贤强*、Tristan G. Fleming、 Samuel J. Clark、 Kamel Fezzaa、Anna C. M. Getley、

Sebastian Marussi、 王洪泽、 Chu Lun Alex Leung*、 Andrew Kao*、 Peter D. Lee*

机 构

伦敦大学学院（UCL）

格林尼治大学（UoG）

加拿大女王大学（Queen’s University）

英国国家科研与创新-哈韦尔研究中心（UKRI-Research Complex at Harwell）

阿贡同步辐射光源实验室（APS）

Citation

X. Fan et al. ‘Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing’ Science, 2025

DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8554

Peter D. Lee分别于1986年和1989年在多伦多大学获得工程材料学士学位和硕士学位，并于1995年在牛津大学获材料科学博士学位。他是英国皇家工程院机械工程学部新兴技术主席和材料科学教授。他在工业界（1988-1993年于阿尔肯国际公司）和学术界（1994-2011年于帝国理工学院，2011-2018年于曼彻斯特大学，2018年至今于伦敦大学学院）从事微观结构表征和建模工作已超过30年。他的研究成果已发表超过350篇论文，并且他领导了多个由英国研究委员会、工业界和欧盟资助的大型项目。这些研究成果获得了20多个重要奖项的认可，包括格伦费尔德奖章和奖金、皇家学会保罗仪器基金奖以及众多最佳论文奖。2013年，曼彻斯特大学因Peter共同指导的“新x射线成像技术在能源、交通和其他行业的应用”工作，被授予女王高等教育周年纪念奖。

Andrew Kao是格林尼治大学应用数学系教授，并担任格林尼治大学先进模拟仿真中心主任。他于2005年获得伦敦帝国理工学院的物理学学士学位，随后在格林威治大学攻读计算科学与工程硕士学位，并继续攻读博士学位。他的博士论文题为《枝晶凝固中的热电磁流体动力学》，于2010年完成。他的研究主要集中在磁场和流体流动对合金微观结构演化的数值模拟。他领导了热电凝固算法（TESA）的开发，这是一种并行化代码，用于解决微观结构凝固、电磁学和流体流动的耦合问题。TESA已广泛应用于涡轮叶片铸造中的缺陷形成、增材制造过程以及高度过冷生长等领域。

Chu Lun Alex Leung是伦敦大学学院机械工程系先进制造学副教授（2023年至今），IPG Photonics/英国皇家工程院高级研究员、并担任哈韦尔材料、结构与制造研究组的联合主任。他也是认证科学家、工程师以及材料、矿物和采矿研究所的会士。他的研究重点是智能制造技术的开发和部署，以提高过程安全性、质量、生产力和可持续性。 他曾获得多项重要奖项，包括 UKRI-EPSRC 新研究员奖（2022 - 2025 年）。他長期与国际公司和研究小组合作，研究与增材制造、激光材料加工以及复合材料和电池相关的基础和应用科学。他的工作得到了全球多个大型国家实验室的认可，包括英国同步辐射光源（DLS）、欧洲同步辐射光源（ESRF）、STFC激光中心（CLF）等。在此之前，他在曼彻斯特大学和伦敦大学学院担任博士后研究员，研究“用于研究增材制造及多模态成像技术”。在开始研究生涯之前，他曾在英国钢铁公司工作，担任新产品开发项目经理（2011-2013），推出了多项商业化的新产品。2010年，他于帝国理工学院材料系获得了航空航天材料一等荣誉学位（MEng）及大卫·韦斯特奖。

范贤强2019年在清华大学获得材料科学与工程硕士学位2023年在伦敦大学学院机械工程系获博士学位，他目前在伦敦大学学院机械工程系以及哈韦尔材料、结构与制造研究组担任博士后研究员。他长期致力于外场在先进制造领域的基础研究和工业应用，主要集中在原位实验观测熔池的动力学行为以及外场的作用。他在全球多个大型同步辐射光源参与并主导实验，包括英国同步辐射光源（DLS）、欧洲同步辐射光源（ESRF）和美国阿贡同步辐射光源（APS）等。他与多家大型跨国公司有合作如劳斯莱斯，Renishaw，IPG Photonics（全球第二大激光公司）等，其研究成果得到了工业界的广泛认可和应用。

来自：3D科学谷

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟