使用雙激光束系統(tǒng)在粉末床3D打印過(guò)程中制造出熔池的周期性合并

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，傳統(tǒng)的激光粉末床3D打印技術(shù)是采用熔化金屬粉末的辦法來(lái)層層堆積的，面臨的挑戰(zhàn)是在大規(guī)模制造的時(shí)候存在制造速率低和制造能力產(chǎn)出受到限制的問(wèn)題。一個(gè)解決辦法是采用多個(gè)平行的激光束來(lái)進(jìn)行同時(shí)掃描以提高加工的柔性。最近的研究表明，在采用兩個(gè)或者更多的激光束進(jìn)行掃描制造的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品機(jī)械性能的提高。

在使用多激光束的時(shí)候依然存在一些障礙需要來(lái)解決，如熔池的靠近性以及他們之間的相互作用。尤其是，兩個(gè)相臨近的，平行的熔池之間的相互作用問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的理解。在本研究中，兩束激光來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)平行的熔池，這兩個(gè)熔池在空間上存在一定的偏移。通過(guò)采用空間不同的偏移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在完全合并的和完全分離的兩個(gè)區(qū)域，存在一個(gè)新的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生周期性的兩個(gè)熔池的合并。高速相機(jī)攝影結(jié)果顯示形成這一合并的機(jī)理存在兩個(gè)不同的情形，我們稱之為頭部-頭部和頭部-尾部合并。通過(guò)改變加工參數(shù)，包括激光功率和空間的偏移量，周期性的結(jié)構(gòu)變化同時(shí)伴隨著不同的波長(zhǎng)，可以在工程中利用這一雙激光束的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

▲圖0 研究成果的Graphical abstract

1. 背景介紹

增材制造技術(shù)又叫3D打印技術(shù)和快速成型技術(shù)，是一種通過(guò)層層堆積來(lái)制造出三維實(shí)體的一種先進(jìn)制造技術(shù)。在當(dāng)前，金屬AM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車和許多其他的工業(yè)領(lǐng)域中，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)具有容易制造復(fù)雜形狀的能力和可以經(jīng)濟(jì)的制造出復(fù)雜的部件。以激光為能量的粉末床（LPBF -LBM ）打印技術(shù)是最為常見(jiàn)的一種金屬AM技術(shù)。在傳統(tǒng)的LBPF中，使用高斯能量分布的激光束作為能量源來(lái)熔化金屬粉末以制造出最終的產(chǎn)品。然而，該技術(shù)存在制造速度慢和其他技術(shù)缺陷，使得該技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用所占據(jù)的份額還比較小。

▲圖1 雙激光束制造的實(shí)驗(yàn)裝置

目前已經(jīng)有諸多的研究是關(guān)于如何提高粉末床金屬打印過(guò)程中所面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。例如，大量的研究是關(guān)于探索使用多激光束或定制的光束來(lái)解決問(wèn)題的可能性。數(shù)值模擬技術(shù)也發(fā)展起來(lái)用來(lái)探索能量分布的形狀，如高斯分布的能量是如何影響到最終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的。在焊接技術(shù)領(lǐng)域中，采用衍射光學(xué)元件 (DiffractiveOptical Element ，簡(jiǎn)稱 DOE)所產(chǎn)生的新穎的光束輪廓（DOE是一種基于光波衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，采用超大規(guī)模集成電路制造工藝在基片上或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面刻蝕出臺(tái)階或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)而形成的光學(xué)元件），為熔池的尺寸控制提供了巨大的空間，并由此提高了加工的效率。

Renishaw則在AM設(shè)備中引入了四個(gè)獨(dú)立控制的激光源。Hong等人則使用這一特定的Renishaw的設(shè)備來(lái)比較了采用單激光束和多激光束制造的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。Zhang等人則實(shí)施了相似的實(shí)驗(yàn)。Slodczyk等人的研究則顯示采用DOE所得到的矩形光束所得到的熔化速率比較大，且同時(shí)可以保證熔池的穩(wěn)定性。Sundqvist等人也解決空間的溫度場(chǎng)和瞬時(shí)改變的激光束條件下的分析模型。這可以幫助來(lái)快速的預(yù)測(cè)多激光束焊接時(shí)的溫度場(chǎng)的輪廓。進(jìn)一步的，Tsai等人則構(gòu)建了一個(gè)三光斑的粉末床打印系統(tǒng)，并引入了DOE到這一裝置中。較短的處理時(shí)間和以此同時(shí)低的表面粗糙度都可以實(shí)現(xiàn)。

為了更好的定義在本實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)激光束的相對(duì)位置，我們引入了兩個(gè)參數(shù)，如圖2（a）所示。兩個(gè)紅色的圓圈代表的是兩個(gè)激光光斑，他們平行且獨(dú)立。

▲圖2 本實(shí)驗(yàn)中所定義的掃描間距和垂直偏移的示意圖

非常明顯的是，粉末床打印的更為廣泛的適應(yīng)性在于提高制造的柔性和盡可能的在一次加工的時(shí)候采用更多的平行的激光束來(lái)進(jìn)行加工。在早期利用兩個(gè)激光束進(jìn)行加工的時(shí)候。兩個(gè)激光束所產(chǎn)生的熔池一個(gè)是作為預(yù)熱或后熱的光源來(lái)減少溫度梯度和由此提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。我們相信在這兩種情況下一定存在一定的間隙，稱之為完全合并和完全分離的區(qū)域的過(guò)渡區(qū)。例如，平行光束的分辨率的極限在哪里就沒(méi)有建立起來(lái)。同時(shí)，盡管有研究實(shí)施了單一熔池熔道的宏觀結(jié)構(gòu)和形貌的研究，但采用平行激光束進(jìn)行加工的關(guān)于顯微組織的關(guān)鍵問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。

為了理解以上所面臨的問(wèn)題，我們使用兩個(gè)同樣的，平行運(yùn)行的激光束作為粉末床3D打印的能量源進(jìn)行打印。通過(guò)將兩個(gè)熔池的熔道靠的非常近，我們研究了熔池在合并時(shí)的相互作用。這樣做之后，兩個(gè)熔池之間分辨率的關(guān)系就建立起來(lái)了。與此同時(shí)，我們開(kāi)始理解當(dāng)兩個(gè)熔池熔道從合并開(kāi)始逐漸移開(kāi)一定距離之后形成完全分離之間的過(guò)渡情況。

除了進(jìn)行兩個(gè)熔池熔道的橫向空間偏移之外，我們還在兩個(gè)激光之間引入一個(gè)時(shí)間的偏移，這樣可以有效的產(chǎn)生一個(gè)線性的空間偏移。引入的這一時(shí)間偏移可以允許我們進(jìn)一步的研究?jī)蓚�(gè)靠近的熔池在這一寬廣的參數(shù)范圍內(nèi)的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的區(qū)域，該區(qū)域中周期性的結(jié)構(gòu)可以在每一個(gè)不同的激光能量下的一定的空間偏移中產(chǎn)生。此外，在這一范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空間偏移量可以改變這一周期性結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)。

2. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
圖1所示為本實(shí)驗(yàn)所采用的雙激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，兩個(gè)波長(zhǎng)為1070nm的具有高斯能量分布的激光運(yùn)行在連續(xù)波的模式下作為激光能量源、激光束，在經(jīng)過(guò)聚焦鏡進(jìn)行窄化后，通過(guò)一個(gè)3D掃描系統(tǒng)進(jìn)行放大，2D掃描振鏡和一個(gè) F-θ鏡。每一個(gè)掃描系統(tǒng)的掃描范圍為178 × 178 mm exp（2）。通過(guò)將兩個(gè)掃描振鏡并列排列，一個(gè)搭接的掃描區(qū)域?yàn)?0 × 178 mm exp（2）。兩個(gè)激光束和掃描振鏡均通過(guò)安裝在電腦中的控制卡來(lái)進(jìn)行控制。一個(gè)脈沖生成器用來(lái)控制兩個(gè)激光的發(fā)射和由此產(chǎn)生兩個(gè)激光束中的空間上的偏移。然而，這一脈沖生成器只是影響兩個(gè)激光的切換。一旦激光束開(kāi)啟，就會(huì)以連續(xù)波的形式進(jìn)行不斷的發(fā)射激光。

3. 研究結(jié)果
圖3所示為一個(gè)共聚焦的照片，顯示的是兩個(gè)不同的掃描間距是如何影響最終的熔池熔道的，此時(shí)的情形為垂直的偏移進(jìn)行保持的恒定值的情形。圖片中的不同顏色代表的是樣品的不同的高度，其變化從紫色的未擾動(dòng)的基體材料的表面到在基材表面之上大約 100 μm的高度為黃色。在此時(shí)，兩個(gè)激光運(yùn)行的功率為80W，掃描速度為150 mm/s。垂直的偏析量保持在120 μm，而三個(gè)不同的掃描間距進(jìn)行了采用，分別為140、180和 270 μm。對(duì)所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)，其頂部的線到底部的線通過(guò)垂直偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)激光從左邊到右邊移動(dòng)。

▲圖3 保持垂直偏移量不變的同時(shí)改變掃描間距所得到的結(jié)果

▲圖4 不同的垂直偏移量得到的結(jié)果，兩個(gè)激光的運(yùn)行功率都為80W，掃描的速度為150 mm/s。掃描間距固定在160 μm，而垂直的偏移量分別為15, 135 和 285 μm。同時(shí)，在頂部的熔道先運(yùn)行，兩個(gè)激光均為自左邊向右邊進(jìn)行運(yùn)行。

▲圖5 在不同激光功率的條件下得到的加工圖：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W。為了提高視覺(jué)展示效果，相圖采用紅色、灰色和藍(lán)色的陰影進(jìn)行了顯示，以分別代表合并、周期合并和分離的情形。

▲圖6 不同激光功率下得到的周期性結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)：(a) 60W, (b) 80W 和 (c) 100W

▲圖7 (a)-(c)示意的顯示頭部-頭部合并時(shí)熔池的相互作用，（d）頭部-頭部的合并時(shí)得到的橫截面的熔池情形

▲圖8 (a)-(c)示意的顯示頭部-尾部合并時(shí)的熔池相互作用的示意圖，（d）頭部-尾部合并時(shí)熔池道的橫截面照片

4. 主要結(jié)論
研究人員通過(guò)引入兩個(gè)參數(shù)：即掃描間距和垂直的偏移量，來(lái)作為粉末床打印時(shí)的兩個(gè)同一的激光。研究人員發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)完全合并和完全分離的相之間的顯著的區(qū)別。這一過(guò)渡的相產(chǎn)生了一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，將會(huì)非常難以采用傳統(tǒng)的粉末床工藝的單激光制造出來(lái)。對(duì)于特定的激光功率，周期性的結(jié)構(gòu)的發(fā)生制造一個(gè)特定的被定義為掃描間距和垂直的偏移量的情形下出現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，為了獲得周期性的結(jié)構(gòu)，需要同時(shí)滿足掃描間距和垂直的偏移量且具有較高的激光功率。

為了進(jìn)一步的研究周期性結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)和形成機(jī)理，揭示出兩種現(xiàn)象，一種是頭部-頭部合并，一種是頭部-尾部合并。頭部-頭部合并的情形發(fā)生在當(dāng)垂直偏移小于兩個(gè)激光造成的熔池的長(zhǎng)度的一般的情形，頭部-尾部合并的情形發(fā)生在當(dāng)波長(zhǎng)線性的隨著頭部-尾部的垂直偏移量增加的時(shí)候。同時(shí)，通過(guò)使用熔池的長(zhǎng)度來(lái)均質(zhì)化垂直的偏移量和波長(zhǎng)，研究人員發(fā)現(xiàn)不同激光功率所產(chǎn)生的波長(zhǎng)會(huì)崩塌成一個(gè)單一的模式，此時(shí)的情形同垂直偏移量相沖突。

下一步，我們將會(huì)進(jìn)一步的探究這一雙激光束的加工手段來(lái)制造周期性的結(jié)構(gòu)。如，一個(gè)較高的掃描速度和較高的激光功率所產(chǎn)生的較長(zhǎng)的熔池也許可以用來(lái)進(jìn)一步的證實(shí)當(dāng)前的結(jié)論。這一雙激光束的設(shè)置將會(huì)有利于增材制造的時(shí)候來(lái)提高制造速率和有可能用多激光束來(lái)進(jìn)行表面織構(gòu)。同時(shí)，我們將會(huì)分析在改變加工工藝窗口的時(shí)候所得到的顯微組織的變化。我們相信，這一辦法所產(chǎn)生的不同的能量分布和得到的熔池會(huì)同傳統(tǒng)的工藝不同，由此顯微組織也不同，包括晶粒尺寸和方位以及可能的氣孔的分布。到那時(shí)，這一辦法將會(huì)成為工程中制造特定顯微組織和定制局部性能的一種的新的手段。

文章來(lái)源：Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion,Volume 201, December 2020, Pages 14-22,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.071,Acta Materialia