金属粉末床熔合增材制造中的激光熔化模式

时间：2023-02-07 09:38 来源：长三角G60激光联盟作者：admin 阅读：次

      导读：据悉，在这篇综述中，区分了基于过程的不同熔化模式的定义与基于事后证据的定义。本文强调了匙孔的重要性，它大大提高了熔池对激光能量的吸收。
      在金属激光粉末床熔合增材制造中，极端高温条件会产生许多高度动态的物理现象，如蒸发和反冲、马朗戈尼对流、突出和锁孔不稳定性等。然而，总的来说，整套现象对于实际应用来说太复杂了，而在现实中，熔化模式被用作打印的指导方针。当超过沸点的局部材料温度升高时，该模式可由传导模式变为锁孔模式。这些模式指定忽略了激光-物质相互作用的细节，但在许多情况下足以确定近似的微结构，从而确定构建的属性。到目前为止，由于熔体池和汽压形态测量的历史局限性，还没有达成一致的、共同的和连贯的定义。在这篇综述中，区分了基于过程的不同熔化模式的定义与基于事后证据的定义。本文强调了匙孔的重要性，它大大提高了熔池对激光能量的吸收。最近的研究强烈表明，稳定的锁孔激光熔炼可以实现高效、可持续和稳健的增材制造。实现这一场景需要开发多物理模型，信号从形态学转换为其他可行信号，以及跨平台和尺度的过程计量。
1 介绍
      金属增材制造（AM），通常称为3D打印，是金属零件快速成型的工业应用。它最初起源于焊接方法和粉末技术的联盟。直接将粉末沉积到激光熔池中产生了直接激光制造和激光工程网成形技术，虽然有效，但缺乏在无后加工的情况下通常有用的分辨率，并且没有低沉积速率的帮助。然而，一旦原始专利到期，粉末床系统的开发很快就表明，良好的分辨率和合理的构建速度使得能够直接制造复杂的几何形状和几乎完全致密的零件。正是这一发展将3D打印从快速原型的状态转变为最终用途产品的实际增材制造。
        基于激光的金属粉末床熔融（LPBF）是一种增材制造（AM）工艺，其中金属粉末通过扫描粉末床上的高功率激光来熔化。尽管许多人认为它是一种相对成熟的增材制造技术，但仍然缺乏对基本过程的理解。这意味着工艺参数开发和组件设计在很大程度上是通过迭代和经验进行的。虽然这种方法有效，但它通常缓慢且昂贵。对流程基础知识的更深入理解可提供更多信息来加速开发，而不必依赖最佳猜测方法。

该图显示了商用LPBF机器的光学布局和修改，以允许熔池的同轴成像。

在粉末床熔融构建过程中对时间和空间分辨的熔池温度场进行原位测量以前没有报道过。熔池体积小，在大型粉末床上快速移动，持续时间短，因此测量问题具有挑战性。确定熔池温度场有助于确定可能形成孔隙的区域，并有助于优化扫描路径。凝固过程中的冷却速率和温度梯度也可以测量并与局部微观结构发展相关联。测量也可以构成在线质量控制系统的一部分，该系统具有组件中每个位置的热历史。

到目前为止，对温度曲线最详细的了解来自计算建模工作。Khairallah等人开发了一个LPBF的多物理场模型，该模型结合了光线追踪，表面张力，马兰戈尼对流和蒸发反冲压力。该模型突出显示了由于反冲压力、熔池内质量传递的重要性以及激光关闭时孔隙率如何形成而在激光下形成的凹陷。尽管使用熔池深度的实验测量来校准模型的吸收率，并且已经进行了激光相互作用区的高速成像，但没有报告预测温度场的实验验证。

单个激光脉冲沿舱口扫描期间的表面温度序列。

原位过程监测工作一直是最近的一些综述的主题，温度测量是突出的。熔池辐射发射的同轴测量已使用光电二极管和机器视觉相机进行测量。虽然这些测量为质量和过程控制目的提供了有用的过程特征，但它们没有针对温度进行校准，并且对底层物理过程的洞察力很少。Criales等人使用离轴红外相机在镍合金的单次扫描轨迹中测量温度，但是依赖于假定的单发射率值，这意味着计算的温度值可能存在很大的误差。宽视场红外热像仪也被用于监测电子束熔化（EBM）过程中整个层的温度。需要仔细校准局部发射率值，并且该系统的分辨率和速度不足以捕获熔池温度瞬变。

显示扫描层上第一条阴影线期间表面温度变化的选定帧。

LPBF实际上是小规模激光焊接的延伸，但这意味着它受到许多相同的限制。例如，由于凝固过程中的枝晶生长和大量残余应力，LPBF零件容易发生热裂纹。这在很大程度上限制了LPBF可应用的成分范围，即主要仅适用于可焊接合金。同时，LPBF制备的微观结构的许多方面与传统制备的显微结构有很大不同，具有诸如细胞结构、高位错含量、过饱和、纳米沉淀、非平衡相、夹杂物和不规则晶粒结构等特征。其中一些独特的结构是有益的，而另一些结构可能会降低性能。对于某些合金，LPBF零件的总密度通常很高（理论密度的99.5%），但复杂的激光和粉末条件可能会产生异常，偶尔还会产生结构缺陷，如可变熔池、孔隙率和裂缝。这是目前阻碍LPBF在某些行业广泛应用的主要因素之一。为了制造无缺陷和微观结构可控的零件，我们需要更全面地了解激光与物质之间的相互作用以及激光熔化的模式。

在这篇综述中，当提到熔池内的蒸汽主导型腔时，我们使用了以下术语。一般来说，术语“蒸汽凹陷”适用于由液体表面汽化产生的反冲动量引起的任何形状的空腔。它更具普遍性和包容性。术语“锁孔”是蒸汽压的一种亚型。本综述如下。首先描述了激光加热的一般物理过程。在总结了复杂性之后，回顾了两个关键的耦合现象：

（1）熔化和蒸发以及（2）突出和锁孔不稳定性。这些物理现象推动了熔池的形态演化（有或没有蒸汽腔），是熔融模式定义的基础。

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