金属3D打印在航空航天、医疗器械等高要求领域快速普及，但零件内部的微小孔隙始终是制约可靠性的关键问题。近日，武汉大学集成电路学院胡耀武教授团队在金属熔凝增材制造孔隙缺陷抑制研究上取得重要进展，提出一种同步同轴激光冲击稳定匙孔的新方法，为高鲁棒性、高可靠金属结构件打印提供了全新思路，相关成果发表于金属增材制造权威期刊Additive Manufacturing。
一、匙孔不稳：金属3D打印的"隐形杀手"
激光粉末床熔融（LPBF）是目前应用最广的金属3D打印工艺之一：高能激光沿预设路径扫过金属粉末床，粉末瞬间熔化形成熔池，逐层凝固堆叠成零件。当激光能量密度较高时，金属剧烈汽化产生的反冲压力会把熔池底部向下压出一个深而窄的孔洞，这就是"匙孔"（keyhole）。
匙孔对成形质量是把双刃剑。稳定且深的匙孔能提高激光吸收率与沉积效率，但匙孔一旦失稳，孔壁会发生剧烈波动甚至周期性坍塌，将金属蒸气与保护气体卷入熔池，凝固后在零件内部留下球形气孔；与此同时，熔池飞溅与材料喷射也会加剧，造成表面粗糙度上升和成分偏差。这些内部缺陷在疲劳载荷下极易成为裂纹萌生点，导致零件机械性能大幅下降。
在LPBF工艺中，孔隙通常可分为三类：气体孔隙、匙孔孔隙和缺乏融合孔隙。其中匙孔孔隙呈球形、分布隐蔽，常规无损检测难以完全识别，对航空航天承力件、医疗植入物等疲劳关键件的威胁尤其突出。目前工业界普遍依靠热等静压（HIP）等手段对打印件二次致密化，成本高昂且对近表面孔隙效果有限，从工艺源头抑制孔隙生成因此成为学术界与产业界共同攻关的方向。
二、同步同轴激光冲击：给熔池"打太极"
胡耀武团队此前的研究率先将同步同轴激光冲击作用力引入金属粉末床激光熔融（LPBF/SLS）工艺，以广泛使用的不锈钢为对象，验证了激光冲击对匙孔稳定性的提升效果。在此基础上，团队进一步提出并验证了可大规模推广应用的高鲁棒性同步同轴激光冲击稳定LPBF/SLS匙孔的方法。
针对匙孔不稳定诱导气孔导致机械性能下降这一痛点，团队将低成本光纤纳秒激光与连续成形激光进行同步同轴耦合，在LPBF成形过程中向匙孔内部引入周期性机械扰动。其机理在于：光纤脉冲激光产生的冲击力能够原位调控熔池流动和匙孔形貌演化，相当于给剧烈翻滚的熔池施加一个"节拍"，让匙孔壁的振荡受到约束，从而抑制气体受困与孔隙残留。
与国外同类的声学辅助、电磁辅助等方案相比，光纤纳秒激光器成本低、易集成、与现有LPBF光路天然同轴，无需改动成形头机械结构，为工艺的工业化落地提供了现实基础。实验结果表明，该方法能够削弱严重飞溅和材料喷射行为，并显著改善孔隙体积分数、孔径和球形度等内部缺陷特征。
三、Micro-CT实证：孔隙率直降85%
为验证方法效果，团队构建了同步同轴光纤脉冲激光冲击LPBF实验平台与原型样机。借助Micro-CT三维重构技术，研究人员对打印样品内部的孔隙分布进行了逐层无损扫描，结果清晰表明：在合适的脉冲激光参数下，同步同轴脉冲激光冲击能够显著降低样品内部孔隙率，最优条件下孔隙率相较无冲击样品降低85%。
更关键的是绝对指标：该系统通过提高脉冲-连续双光束同步同轴传输的稳定性，实现了金属打印样品最终绝对孔隙率降至0.0032%，对应相对致密度超过99.99%，已优于航空发动机叶片等高端零件对打印致密度的常规验收要求。孔隙率的下降直接转化为力学性能的增益，为打印件从"能用"迈向"耐用"提供了数据支撑。
值得强调的是，该方法的优势在于"主动调控"而非"被动补救"。它从成形源头抑制缺陷生成，与热等静压等后处理手段形成互补——前者减少缺陷数量，后者压合残余孔隙，两者叠加有望进一步放宽工艺窗口、提升批量生产的一致性与合格率。
四、从工艺鲁棒性到双光束同轴稳定性
在前期工作的基础上，团队将研究重点推进到工艺鲁棒性、双光束同轴稳定性和匙孔瞬态调控机制三个层面。最新工作构建了完整的同步同轴光纤脉冲激光冲击LPBF实验平台与原型样机，系统研究了脉冲激光参数（能量、频率、脉冲宽度）与成形激光功率、扫描速度之间的匹配关系，明确了不同参数组合下匙孔振荡的抑制规律。
相关成果以题为"Robust melt pool laser-shock-vibration assisted hybrid laser powder bed fusion and its mechanism"的论文发表于Additive Manufacturing期刊，集成电路学院博士生郭定义为论文第一作者，胡耀武教授为唯一通讯作者，武汉大学集成电路学院为第一署名单位和通讯作者单位。
从技术路线上看，该方法与当前工业界关注的多激光协同、光束整形、在线监控等方向天然兼容：同步同轴脉冲激光本身就可以视作一种"主动式在线干预"手段，未来有望与熔池监测系统联动，根据实时传感信号动态调节脉冲参数，实现闭环的缺陷智能抑制，这将是下一代智能金属3D打印设备的重要技术储备。
五、从实验室到产线：规模化应用前景可期
金属3D打印正从原型验证走向批量制造，孔隙缺陷造成的报废与返工成本随产量放大而急剧上升。激光冲击稳定匙孔的方法提供了一条低成本、易集成的工艺改进路径：光纤纳秒激光器技术成熟、价格亲民，改造不改变原有打印流程，设备厂商可在现有机型上直接加装，帮助用户在不大幅增加成本的前提下提升致密度与一致性。
从应用场景看，该方法对航空航天发动机热端部件、医疗植入物、能源装备、汽车轻量化结构件等疲劳关键件价值尤为突出。当然，从实验室成果走向规模化产线仍面临参数窗口验证、批量一致性、不同合金体系适配等工程化课题，团队下一步将围绕典型高温合金与钛合金体系开展系统性验证。
总结
武汉大学团队提出的同步同轴激光冲击稳定LPBF匙孔方法，用低成本光纤纳秒激光实现了对熔池的主动调控，实测孔隙率降低85%、绝对孔隙率降至0.0032%，为高可靠金属结构件打印开辟了新路径。随着工艺窗口的持续验证与设备端集成加速，这一技术有望成为金属增材制造走向规模化量产的关键拼图。
来源：武汉大学新闻网、增材制造期刊Additive Manufacturing