根据报告，增材制造多年来为飞机生产做出了贡献。但是，增材制造还会在终零件的微观结构中产生缺陷，从而将其作用限制在管道，内部组件和其他非关键零件的制造中。安全监管零件的增材制造将帮助航空业实现有效和稳定的供应链管理的愿望，以及轻型飞机随附的燃油节省和减排。

　　团队和合作者已经发现，为什么在增材制造由航空航天应用中广泛使用的高强度，重量轻的钛合金制成的零件时会出现结构缺陷。他们提供了工艺图，机器用来制造零件的蓝图，帮助制造商避免在称为激光粉末床熔合的常见增材制造技术中产生缺陷。

　　研究团队专注于增材制造过程的两个重要条件，即激光功率和扫描速度。在功率-速度过程图中捕获了这两个条件的设置和交互方式。与常规地图类似，功率-速度地图在要工作的区域和要避开的区域之间设置边界线。

　　功率-速度图可以分为好区域和三个坏区域。如果制造商留在良好的区域，则该零件很可能会始终如一地生产出高质量的零件。两个坏区很容易识别。一种是缺乏熔合的现象，这是由于激光功率密度不足而导致的未熔融粉末所证明的。当单条打印线在其自身上滚动时，第二个坏区以滚珠表示，这表明激光运动太快。

　　团队专注于第四区。在该区域中，零件从制造过程中出来时会带有微小的孔，这种结构缺陷称为孔隙。这些微小的孔出现在材料内部，使其难以看到和控制。研究人员表示：“您可以打印多条测试线，而通过检查零件表面是否仍然有气孔仍然不知道。”

　　孔隙缺陷对于疲劳敏感型应用（如飞机机翼）仍然是一个挑战。在高功率，低扫描速度的激光熔化条件下，一些孔隙与称为锁孔的深而窄的蒸汽凹陷有关。

　　团队发现了孔隙的产生方式，并能够在3D打印过程中以很高的时空分辨率表征材料的转变。他们使用了一种称为高速同步加速器X射线成像的成像技术，该技术在整个激光打印过程中逐帧地监视孔的形成。以微秒的间隔捕获图像，远远超出人眼可以捕获或人脑可以处理的范围。

　　高速同步加速器X射线成像是定性测量和描述当激光束暴露于金属粉末床时发生的情况的唯一可用方法。除了熔化粉末外，激光还会蒸发一些金属。高速蒸气逸出熔池表面，形成一个称为锁孔的小腔。

　　锁眼的形成和大小取决于激光功率和材料吸收激光能量的能力。如果锁孔壁是稳定的，它将增强周围材料的激光吸收并提高激光制造效率。但是，如果壁晃动或倒塌，则材料会在锁孔周围凝固，从而将气袋滞留在新形成的材料层内。这使材料更脆，在环境压力下更容易破裂。

　　研究人员将好区域与坏孔隙区域之间的边界描述为平滑且清晰。“在非常狭窄的激光条件下，功率和速度的特定组合将一个好的零件和一个带有毛孔的零件分开。只需跨过好区和坏区之间的界限，就可以确定您的零件是否带有这种结构缺陷，” 研究人员说。基于如此光滑而尖锐的边界的物理原理，研究人员知道一个子过程正在起作用。

　　该团队终发现，激光与金属的相互作用会产生声波。

　　研究人员解释说，声波可以以不同方式与液体中的气泡相互作用。在声力的作用下，气泡可以移动，变形，分裂甚至崩溃。在这项研究中，研究小组发现，在接近孔隙区域边界的激光条件下，声力在将孔隙推离锁孔尖端方面起着至关重要的作用。在熔池中不产生声波的情况下，孔隙将被拉回到锁孔中。

　　“这真是令人惊讶，”研究人员说。“短脉冲激光器被认为是在液体中产生声波的来源，但我们在使用连续波激光器时观察到了声效应。显然，仍有许多有趣的问题需要进一步研究。”

　　杂志描述的两个发现对基础和应用研究领域的金属激光增材制造均具有直接影响。功率-速度图中清晰定义的孔隙区域边界为激光粉末床熔合技术人员确定良好的印刷条件提供了更大的信心。同时，同步加速器X射线成像提供的新观察结果开启了激动人心的多学科研究领域，将吸引更多科学家对激光增材制造进行基础研究。

　　研究团队将继续应用先进的表征技术，对增材制造工艺和材料进行深入研究。增材制造技术有望彻底改变我们的制造方式。

　　“增材制造只有在研究界将控制印刷过程中涉及的复杂的能量-物质相互作用的所有优美的物理原理拼凑起来之后，才能发挥其全部潜力。”