多激光束進行鋪粉增材制造時的飛濺和性能會如何？

來源：江蘇激光聯(lián)盟

采用高速攝影技術用來觀察雙激光和單激光進行SLM制造時的飛濺形成的機制；一個用于圖像分析的框架發(fā)展來進行評估誘導生成的飛濺的分布；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）在多激光束進行加工中的顯著的作用。使用高速攝影技術來觀察飛濺的形成機制以及SLM制造過程中的飛濺顆粒的行為。采用一個計算的圖像分析框架技術來評估誘導的飛濺的尺寸和數(shù)量。飛濺的形貌和成分以及對SLM制造的部件的表面粗糙度的影響也進行了評估。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制造的部件的機械性能失效時的缺陷類型。同時，基于發(fā)展了一個有意義的工藝參數(shù)的優(yōu)化來提高SLM制造過程中的部件的機械性能。

圖1. 研究成果的Graphical abstract

在過去的一段時間里，增材制造技術，尤其是金屬的增材制造（AM），吸引了廣泛的關注，這是因為該技術獨特的層層堆積來制造復雜形狀部件的優(yōu)勢。激光選區(qū)熔化（SLM）是一種新穎的金屬增材制造技術，在今后將顯示出更大的優(yōu)勢。SLM技術可以制造高致密度的金屬部件，達到99.9%，呈現(xiàn)出非常細小的顯微組織和可以制造出復雜形狀的部件，而這是傳統(tǒng)工藝所不能或不易實現(xiàn)的。然而，SLM技術來廣泛的應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，這一缺陷會顯著的影響最終的機械性能。

飛濺的形成在多個激光輔助制造工作中被給予報道。如Low等人在研究激光打孔時研究了飛濺機理和激光工藝參數(shù)對飛濺的形成的影響。然而，很少研究是關于SLM制造過程中的飛濺形成的機理的研究。Simonelli等人研究SLM制造過程中的氧化反應對飛濺形成的影響。他們發(fā)現(xiàn)飛濺顆粒的化學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對流在SLM制造過程中對形成飛濺的影響。Mumtaz和Hopkinson使用脈沖成形技術來控制輸入到激光-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。在另外的一項研究中，飛濺形成的機理在應用316不銹鋼粉末的時候進行單道沉積來觀察。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制造時的飛濺形成機理。

在當前的工作中，高速攝影技術用來對SＬＭ制造過程中的飛濺顆粒的形成和行為進行分析。采用計算圖像分析框架技術來獲得誘導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行了對比研究。結果表明使用多激光束的時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制造部件表面粗糙度的影響均在本文中進行了確定。對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果的吻合揭示了采用高速攝影技術是一種非常有效的確定飛濺的技術，前提是應用恰當。飛濺的形成對SLM制造的部件的失效機制的影響也進行了探討，并作為參數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化來提高SLM制造產(chǎn)品的機械性能是非常必要的。

▲圖2. 采用單激光或雙激光束進行樣品制造時的圖像和示意圖，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，樣品1，2，5，6采用單激光束進行制造，樣品3和4 采用雙激光束進行制造；（b）采用高速攝影技術對雙激光束進行樣品加工時的示意表述

為了捕獲采用單激光和雙激光束進行制造時的飛濺動力學和機制，采用高速攝像機（型號為Fastcam 1024 PCI）來進行觀察，見圖3a。為了防止在激光掃描過程中任一光的散射，一個適宜的干涉過濾片放置在相機鏡片的前面。如圖3b所示，外部的光源在操作室內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. 實驗裝置的設置圖 ：(a) 在2800SLM制造設備中的前面放置的高速相機來捕獲工藝過程；(b) SLM 280 HL 制造的工作室；LED燈放置在室內用于提供足夠的光源來供給高速攝像

飛濺形成的機理
在SLM制造過程中，聚焦的高能激光束會導致金屬熔池在激光的光斑中心位置的材料達到氣化點。因此，反沖氣壓就會在如圖4a中所示的熔池之上形成。當?shù)偷姆礇_汽壓在SLM過程中于平直化熔池時，高的反沖汽壓會導致熔池材料由于熔體的驅逐而移開。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，激光羽毛化動力學在非金屬粉末周圍的熔池影響導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）一個激光束在運行加工中和誘導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. 高速相機在單激光束的SLM制造過程中進行激光掃描得到的圖像。該時間間隔為每幅圖像的為0.67毫秒的捕獲時間。綠色的箭頭顯示的為激光掃描道，而紅色的點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高速攝影得到的圖像。每幅圖像的時間間隔為1毫秒時間，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記錄的實際圖像；（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的放大圖像；（d）在SLM制造過程中采用雙激光束時，且兩者比較靠近的前提下記錄的真實圖像；（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)采用單激光束進行SLM制造時得到的飛濺分布圖像或采用(c. d)雙激光束時且兩者的操作非�？拷鼤r得到的圖像。（a）飛濺的分階段區(qū)域在一個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行SLM制造后得到的樣品的工程應力應變曲線，其曲線可以表明兩者在強度和韌性上的差別；(b) 在采用單激光束（B）和采用雙激光束時（A）得到的樣品在失效后的照片

主要結論
T對采用多激光束進行SLM制造過程中的飛濺形成機制進行了研究。飛濺行為的動力學過程采用高速攝影進行了記錄。飛濺的尺寸和分布在不同工藝條件下的情況，包括操作時的激光束的數(shù)量（單激光和雙激光束），均進行了評估。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制。激光束數(shù)量的增加會在熔池表面誘導形成反沖氣壓和驅逐大量的金屬材料從熔池中分離。結果表明飛濺的數(shù)量在采用預合金粉末的時候會顯著的多一些。飛濺的顆粒的形狀主要以圓形為主。EDS技術對表面的飛濺進行成分分析發(fā)現(xiàn)含氧，這是因為Mg對氧具有高的親和力造成的。拉伸測試結果表明，盡管兩者的樣品在采用單激光束和雙激光束進行加工時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誘導形成更多的夾雜物所造成的。最后，基于密度測試分析，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，但不是提高機械性能的最有效的辦法，尤其是對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，這樣就可以進一步的提高機型性能。

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