使用羽流监测熔池状态，金属3D打印新见解

激光粉末床熔合(LPBF)是目前金属部件增材制造最常用的方法，能够生产具有无与伦比的设计自由度和材料特性的定制部件，可与使用传统方法制造的部件相媲美甚至更好。然而，由于加工中通常使用高能量，激光与材料的相互作用导致金属基材和粉末的快速熔化和蒸发。这种交互是一个复杂的动态过程，其中需要控制大量变量以保持过程稳定性。

对增材制造涉及的基本理解有助于调整这些加工参数。研究表明，熔池和诱导蒸汽射流的行为变化很大，导致会产生几种不同的流体动力学状态。此外，这些变化还决定了与粉末颗粒的相互作用，粉末颗粒是工艺稳定性的关键组成部分，影响零件质量和结构缺陷（例如孔隙率）。虽然通过对液态金属、粉末、颗粒和蒸汽行为进行单独成像，在理解和描述这些流体动力学方面取得了巨大进展。但是，它们的相互作用尚未被直接观测到。

在过去三年里，英国赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所的科学家们领导了一个研究项目，研究了LPBF过程背后的基本物理特征，以及如何利用这一认识来缓解3D打印零件中的缺陷。现在，项目组的科学家又与卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室合作，对这一过程有了新的认识，有望使金属3D打印对制造商而言成为一种更可持续的选择。

LPBF的工作原理是将金属粉末颗粒薄层铺开，这些粉末通过高功率激光发出的强烈热量粘合在一起。但这一过程可能导致形成微小的孔隙，从而削弱整体结构的性能。研究所副研究员Ioannis Bitharas博士解释说：“我们的研究，实现了对激光与金属粒子相互作用时物质状态之间相互作用的可视化。”

他进一步指出，在打印的过程中当粒子融合在一起时，对金属应用高功率激光将产生一个液态金属小池。在此阶段，少量金属蒸发并压向液体，在熔池中心形成一个空腔。这个空腔通常被称为锁孔，可能变得不稳定和塌陷，从而在材料中形成气孔。与此同时，蒸汽从锁孔向上喷射形成羽流，在与粒子相互作用下干扰了扩散层。
对于需要规模制造的厂商来说，组件在生产过程中产生的微小缺陷是无法接受的。因此，LPBF过程对材料产生的气孔，成为行业需要克服的一大技术难点。而在真正解决问题前，研究人员需要通过图像的形式获取完整的动态画面。

对此，研究团队提出了同步纹影和X射线透射成像的新方法。这种方法能够同时可视化LPBF 中物质所有相之间的相互作用。特别是，纹影系统的高放大倍率允许在不同的激光参数下直接成像了从熔池凹陷处出现的蒸汽射流。他们发现，通过金属蒸发释放的蒸汽羽流与熔融材料的整体稳定性之间存在直接联系。

通过测量X射线图像中的凹陷深度，以及X射线和纹影数据集中的连续图像之间的平均强度差异，来检查锁孔的演变（图1）。无论是深度还是强度差异，都表明熔池随着时间的推移向不稳定性发展。可以区分熔池的各个阶段，因为羽流中的不稳定性水平明显（图1b)，与增加的锁孔振荡相匹配。因此，液相和气相的强耦合在稳定期和不稳定期之间的同步中很明显。

图1：蒸汽凹陷演化a）测量的表面凹陷深度。在第一阶段锁孔深度逐渐增加，快速钻孔标志着向第二阶段的过渡。由于锁孔的不稳定性，随着时间的推移，穿透力的波动越来越大。b）两个数据集，随着系统趋于不稳定，每一帧的总变化随着时间的推移而增加。由于液-气现象的强耦合，在两个数据集中都可以看出锁孔演化的I-III阶段。

羽流越活跃，材料越不稳定，气孔越多。但通过微调激光参数，如调整功率、聚焦光斑大小和扫描速度，研究小组发现它们可以控制羽流和熔池的稳定性，使打印结构更加一致。使用羽流作为可视化和监控的过程特征，对于依赖高性能组件的行业如航空航天、汽车、医疗保健和国防而言，具有令人兴奋的新潜力。

Andrew Moore教授领导的光学诊断小组从一开始就参与了这一研究项目。他说：“尽管显示出巨大的前景，但打印零件中的缺陷仍然阻碍了金属增材制造工艺的发展。到目前为止，研究重点是根据液态金属或颗粒的行为来检测和预测缺陷，往往忽视了熔池上方产生的蒸汽喷射和羽流的影响。

图2：科学家使用LPBF 期间产生的羽流作为“过程特征”，深入了解过程稳定性

“我们的发现为金属3D打印带来了令人兴奋的新前景。我们相信，这项工作将有助于创建改进的过程监控和分析工具，以识别和防止打印零件过程中形成缺陷。此外，它将支持一类更具预测性的多物理模型，其中包括大气效应和粉末运动，允许对流程图进行精确的先验计算。

目前，英国唯一的LPBF系统制造商雷尼绍与赫瑞瓦特大学结成战略联盟，部分支持了这项工作。该团队将继续与雷尼绍合作，利用这些新见解改进未来的3D打印设备。研究团队的研究文章《激光粉末床聚变中蒸汽、液体和固相之间的相互作用》发表在科学杂志《自然通讯》上。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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