多激光束進(jìn)行鋪粉增材制造時(shí)的飛濺和性能會(huì)如何？

來源：江蘇激光聯(lián)盟

采用高速攝影技術(shù)用來觀察雙激光和單激光進(jìn)行SLM制造時(shí)的飛濺形成的機(jī)制,；一個(gè)用于圖像分析的框架發(fā)展來進(jìn)行評(píng)估誘導(dǎo)生成的飛濺的分布；飛濺的顆粒決定著SLM制造過程中缺陷形成的類型,，從而影響著其機(jī)械性能,。

這一研究成果顯示了SLM（激光選區(qū)熔化）過程中反沖壓力（recoil pressure）在多激光束進(jìn)行加工中的顯著的作用。使用高速攝影技術(shù)來觀察飛濺的形成機(jī)制以及SLM制造過程中的飛濺顆粒的行為,。采用一個(gè)計(jì)算的圖像分析框架技術(shù)來評(píng)估誘導(dǎo)的飛濺的尺寸和數(shù)量,。飛濺的形貌和成分以及對(duì)SLM制造的部件的表面粗糙度的影響也進(jìn)行了評(píng)估,。未熔化區(qū)域，飛濺沉積在粉末上或凝固層上所形成的,，被發(fā)現(xiàn)主要確定著SLM制造的部件的機(jī)械性能失效時(shí)的缺陷類型,。同時(shí)，基于發(fā)展了一個(gè)有意義的工藝參數(shù)的優(yōu)化來提高SLM制造過程中的部件的機(jī)械性能,。

圖1. 研究成果的Graphical abstract

在過去的一段時(shí)間里,，增材制造技術(shù)，尤其是金屬的增材制造（AM）,，吸引了廣泛的關(guān)注,，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)獨(dú)特的層層堆積來制造復(fù)雜形狀部件的優(yōu)勢(shì)。激光選區(qū)熔化（SLM）是一種新穎的金屬增材制造技術(shù),，在今后將顯示出更大的優(yōu)勢(shì),。SLM技術(shù)可以制造高致密度的金屬部件，達(dá)到99.9%,，呈現(xiàn)出非常細(xì)小的顯微組織和可以制造出復(fù)雜形狀的部件,，而這是傳統(tǒng)工藝所不能或不易實(shí)現(xiàn)的。然而,，SLM技術(shù)來廣泛的應(yīng)用于金屬部件的制造還取決于最終的產(chǎn)品是否能夠滿足工程質(zhì)量的表征,。這包括減少由于飛濺所造成的缺陷，裂紋等,，這一缺陷會(huì)顯著的影響最終的機(jī)械性能,。

飛濺的形成在多個(gè)激光輔助制造工作中被給予報(bào)道。如Low等人在研究激光打孔時(shí)研究了飛濺機(jī)理和激光工藝參數(shù)對(duì)飛濺的形成的影響,。然而,，很少研究是關(guān)于SLM制造過程中的飛濺形成的機(jī)理的研究。Simonelli等人研究SLM制造過程中的氧化反應(yīng)對(duì)飛濺形成的影響,。他們發(fā)現(xiàn)飛濺顆粒的化學(xué)成分同原始的粉末相比,，改變非常明顯。Khairallah等人使用三維高可信度粉末尺度的模型來研究反沖汽壓的重要性和Marangoni對(duì)流在SLM制造過程中對(duì)形成飛濺的影響,。Mumtaz和Hopkinson使用脈沖成形技術(shù)來控制輸入到激光-材料相互作用區(qū) 能量來減少SLM制造過程中的飛濺數(shù)量,。在另外的一項(xiàng)研究中，飛濺形成的機(jī)理在應(yīng)用316不銹鋼粉末的時(shí)候進(jìn)行單道沉積來觀察,。作者發(fā)現(xiàn)激光能量輸入影響到飛濺的尺寸,，分散的狀態(tài)和沖射的高度。盡管在SLM制造中已經(jīng)有了如上研究,，但在SLM制造過程中的飛濺形成的系統(tǒng)研究仍然存在較大的鴻溝,。當(dāng)前SLM的發(fā)展到使用多激光束來加速制造的過程，從而更加需要了解在多光束作用下的SLM制造時(shí)的飛濺形成機(jī)理。

在當(dāng)前的工作中,，高速攝影技術(shù)用來對(duì)SＬＭ制造過程中的飛濺顆粒的形成和行為進(jìn)行分析,。采用計(jì)算圖像分析框架技術(shù)來獲得誘導(dǎo)生成的飛濺的尺寸和數(shù)量。在雙光束激光作用下的飛濺分布同使用單激光束作用下的情況進(jìn)行了對(duì)比研究,。結(jié)果表明使用多激光束的時(shí)候明顯的增加了飛濺顆粒的數(shù)量和尺寸,。飛濺的形貌和成分以及飛濺對(duì)制造部件表面粗糙度的影響均在本文中進(jìn)行了確定。對(duì)SLM制造過程中采用高速攝影得到的形貌和顯微組織分析得到的結(jié)果的吻合揭示了采用高速攝影技術(shù)是一種非常有效的確定飛濺的技術(shù),，前提是應(yīng)用恰當(dāng),。飛濺的形成對(duì)SLM制造的部件的失效機(jī)制的影響也進(jìn)行了探討，并作為參數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化來提高SLM制造產(chǎn)品的機(jī)械性能是非常必要的,。

▲圖2. 采用單激光或雙激光束進(jìn)行樣品制造時(shí)的圖像和示意圖,，區(qū)域1（Region）和區(qū)域2（Region）表示每一激光的工作區(qū)域。（a）SLM2800HL增材制造平臺(tái),，樣品1,，2，5,，6采用單激光束進(jìn)行制造,，樣品3和4 采用雙激光束進(jìn)行制造；（b）采用高速攝影技術(shù)對(duì)雙激光束進(jìn)行樣品加工時(shí)的示意表述

為了捕獲采用單激光和雙激光束進(jìn)行制造時(shí)的飛濺動(dòng)力學(xué)和機(jī)制,，采用高速攝像機(jī)（型號(hào)為Fastcam 1024 PCI）來進(jìn)行觀察,，見圖3a。為了防止在激光掃描過程中任一光的散射,，一個(gè)適宜的干涉過濾片放置在相機(jī)鏡片的前面,。如圖3b所示，外部的光源在操作室內(nèi)來提供足夠的光來捕獲圖像,，捕獲速度為6000到3000幀每秒（fps）,。

▲圖3. 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)置圖 ：(a) 在2800SLM制造設(shè)備中的前面放置的高速相機(jī)來捕獲工藝過程；(b) SLM 280 HL 制造的工作室,；LED燈放置在室內(nèi)用于提供足夠的光源來供給高速攝像

飛濺形成的機(jī)理
在SLM制造過程中,，聚焦的高能激光束會(huì)導(dǎo)致金屬熔池在激光的光斑中心位置的材料達(dá)到氣化點(diǎn)。因此,，反沖氣壓就會(huì)在如圖4a中所示的熔池之上形成。當(dāng)?shù)偷姆礇_汽壓在SLM過程中于平直化熔池時(shí),，高的反沖汽壓會(huì)導(dǎo)致熔池材料由于熔體的驅(qū)逐而移開,。噴射的金屬很快冷卻和固化，形成不同直徑的顆粒,，主要取決于固化過程,。這些顆粒在本文中被稱之為液滴顆粒。此外，激光羽毛化動(dòng)力學(xué)在非金屬粉末周圍的熔池影響導(dǎo)致熔池周圍的粉末從粉末床分離,。這些顆粒稱之為飛濺粉末,。這兩類飛濺均沉積在未熔化的粉末或凝固層上。如圖4所示,，增加操作的激光束的數(shù)量,，會(huì)在SLM制造過程中產(chǎn)生更多的飛濺。

▲圖4. 在SLM制造過程中飛濺形成的示意圖：（a）一個(gè)激光束在運(yùn)行加工中和誘導(dǎo)的反沖氣壓在熔化的熔池之上造成粉末和液滴的飛濺,；（b）雙激光束緊密的工作在一起并產(chǎn)生大量的飛濺,。

▲圖5. 高速相機(jī)在單激光束的SLM制造過程中進(jìn)行激光掃描得到的圖像。該時(shí)間間隔為每幅圖像的為0.67毫秒的捕獲時(shí)間,。綠色的箭頭顯示的為激光掃描道,，而紅色的點(diǎn)線則顯示的為制造的樣品的輪廓，見圖2a

▲圖6. 在SLM制造過程中使用雙激光束緊密的工作在一起時(shí)高速攝影得到的圖像,。每幅圖像的時(shí)間間隔為1毫秒時(shí)間,，其中紅色的箭頭表示激光掃描的路徑。其激光制造的部件見見圖2b

▲圖7. 高速相機(jī)圖像分階段得到的照片：（a）在SLM制造過程中采用單激光束加工時(shí)記錄的實(shí)際圖像,；（b）該處a圖中的分階段圖像,；（c）該處圖b中在非常接近激光束時(shí)的放大圖像；（d）在SLM制造過程中采用雙激光束時(shí),，且兩者比較靠近的前提下記錄的真實(shí)圖像,；（e）該處圖d所得到的分階段圖像；（f）該處圖e靠近激光束的放大圖像

▲圖8. (a, b)采用單激光束進(jìn)行SLM制造時(shí)得到的飛濺分布圖像或采用(c. d)雙激光束時(shí)且兩者的操作非�,？拷鼤r(shí)得到的圖像,。（a）飛濺的分階段區(qū)域在一個(gè)照片中的框架顯示在圖7b中；（b）飛濺的分階段尺寸（直徑）在一個(gè)圖像的框架中顯示于圖7b中,；（c）顯示的為圖7e中的飛濺分階段的尺寸（直徑）,；（d）分階段分揀飛濺的顆粒尺寸（直徑）在圖7d中的情形。

▲圖9. 采用單激光束和采用雙激光束時(shí)SLM制造的部件在蝕刻之后的金相照片

▲圖10. (a) 采用單激光束和雙激光束進(jìn)行SLM制造后得到的樣品的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線,，其曲線可以表明兩者在強(qiáng)度和韌性上的差別,；(b) 在采用單激光束（B）和采用雙激光束時(shí)（A）得到的樣品在失效后的照片

主要結(jié)論
T對(duì)采用多激光束進(jìn)行SLM制造過程中的飛濺形成機(jī)制進(jìn)行了研究。飛濺行為的動(dòng)力學(xué)過程采用高速攝影進(jìn)行了記錄,。飛濺的尺寸和分布在不同工藝條件下的情況,，包括操作時(shí)的激光束的數(shù)量（單激光和雙激光束），均進(jìn)行了評(píng)估,。激光束的操作數(shù)量顯著的影響著在SLM制造過程中的飛濺形成機(jī)制,。激光束數(shù)量的增加會(huì)在熔池表面誘導(dǎo)形成反沖氣壓和驅(qū)逐大量的金屬材料從熔池中分離。結(jié)果表明飛濺的數(shù)量在采用預(yù)合金粉末的時(shí)候會(huì)顯著的多一些,。飛濺的顆粒的形狀主要以圓形為主,。EDS技術(shù)對(duì)表面的飛濺進(jìn)行成分分析發(fā)現(xiàn)含氧,，這是因?yàn)镸g對(duì)氧具有高的親和力造成的。拉伸測(cè)試結(jié)果表明,，盡管兩者的樣品在采用單激光束和雙激光束進(jìn)行加工時(shí)飛濺存在較大的差別,，但均呈現(xiàn)出韌性斷裂，單激光束的研究結(jié)果明顯優(yōu)于雙激光束,。這一現(xiàn)象歸因于在多激光束加工時(shí)誘導(dǎo)形成更多的夾雜物所造成的,。最后，基于密度測(cè)試分析,，可以得出的是優(yōu)化制造參數(shù)可以最大化得到樣品的致密度,，但不是提高機(jī)械性能的最有效的辦法，尤其是對(duì)SLM樣品的疲勞性能來說,，更是如此,。需要更多的研究和注意，來找到和發(fā)展優(yōu)化的辦法來產(chǎn)生盡可能少的由于飛濺顆粒所造成的未熔化區(qū)域,，這樣就可以進(jìn)一步的提高機(jī)型性能,。

文章來源：Spatter formation in selective laser melting process using multi-laser technology，Materials & Design,，Volume 131, 5 October 2017, Pages 460-469,，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.040