金属增材制造因其高精度、高效性和灵活性等特征早已引发了广泛的研究和快速下降的应用。但是，这种优势远未得到充分借助，且其困局问题主要源自从制造过程、微观结构演化到热学性能等复杂化学机制的理解不充分。具体而言，对于基于粉末熔体的增材制造，如激光粉床融化，制造过程涉及粉末动力学、热传递、相变（融化、凝固、蒸发和凝结）、流体流动（二氧化碳、蒸汽和熔体金属液体）及其互相作用。这种互相作用除了引起各类缺陷，还涉及复杂的热-热学-组成条件。这种瞬态条件造成高度非平衡的微观结构变迁，而由此形成的微观结构以及那些缺陷，可以明显改变预制构件的热学性能，包括硬度、延性和残余挠度等。推动增材制造过程中的机理研究，最有效途径是将原位实验和高保真建模相结合。
基于此，来自美国国立学院的Yan院士团队和普利茅斯学院麦迪逊校区的Chen院士团队总结了这两种强悍工具的最新进展：原位同步幅射实验和高保真建模熔化和凝固实验器材，并展望了潜在的研究方向。
相关短篇综述以题为“In-situandhigh-toolstoofmetal”发表《ofToolsand》。
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图文简述
该综述文章系统地回顾了两种先进的研究工具，即原位同步幅射X射线表征和高保真模拟，它们被用于探求金属增材制造技术背后的基础数学学。
图1.金属增材制造过程中原位X射线表征与高保真建模工具的框架。将这两种工具整合在一起将加速对金属增材制造机制的研究。
关于原位同步幅射，文章详尽阐释了原位同步幅射X射线成像和衍射的原理与能力。关于高保真模拟方面，系统总结了粉末动力学、熔融池流动、微观结构变迁和热学性能等方面的研究，同时也简略讨论了基于数学模拟结果的数据驱动模拟——这是一种不可忽略的发展趋势。最后，作者讨论了原位实验和高保真度模型的未来前景。
图2.同步幅射X射线进行激光金属增材制造过程原位表征的实验设置的示意图，并列出不同现象的时间和空间尺度。
图3.增材制造的高保真模拟主要包括粉末动力学、熔池动力学、微观结构变迁以及热学性能模拟
图4.原位X射线表征与高保真模拟相结合的应用示例。(a)X射线成像阐明了气泡运动，高保真模拟则阐述了气孔运动的驱动力。(b)X射线成像展示了关键凹坑产生过程熔化和凝固实验器材，高保真模拟阐明了其中的基本机制。(c)X射线成像呈现了激光融化过程中不同时间的形状，并用于验证仿真模型。(d)X射线成像展示了激光融化过程中粉末喷溅行为，并用于验证仿真模型。
图5.展望原位同步幅射表征、高保真模拟以及它们的综合应用，进而深入理解增材制造中的化学机制。
原位同步幅射表征技术促使我们能否在金属增材制造过程中直接研究其过程、微观结构和热学性质，而高保真度模拟则有助于剖析这种现象背后的数学原理。这两种先进工具具有互补性，应当被整合上去，以深入剖析增材制造机制。
总结
该文系统综述了用于探求金属增材制造技术基础数学的两种先进研究手段，即原位同步幅射X射线表征和高保真度建模。它总结了原位X射线成像和衍射的基本原理、能力、应用和局限性，粉末动力学、熔池流动、微观组织变迁和热学性能的高保真模型，以及数据驱动模型。据悉，还讨论了这种技术的局限性、挑战和未来前景。研究得出的主要推论如下：
原文信息：
LuWang,QilinGuo,Chen,Yan,In-situandhigh-toolstoofmetal,ofToolsand,
193,2023,,ISSN0890-6955,
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