《Science》子刊：前所未有！光熱控制高性能金屬激光增材制造控形控性研究

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：基于粉末床熔融的金屬增材制造中涉及的高熱梯度和復(fù)雜的熔池不穩(wěn)定性通常會(huì)導(dǎo)致高孔隙率、較差的形態(tài)質(zhì)量和較低的機(jī)械性能。與高斯光束相比，貝塞爾光束提供了前所未有的對(duì)不銹鋼(ss316l)熔體時(shí)空演化的控制。貝塞爾光束的非衍射特性使 3D 打印過(guò)程中的焦平面定位具有更大的公差。我們還證明了貝塞爾光束在廣泛的掃描參數(shù)空間中顯著降低了形成鎖孔的傾向。熔池演化和凝固動(dòng)力學(xué)的高速成像揭示了一種獨(dú)特的機(jī)制，即由于熱梯度降低，貝塞爾光束穩(wěn)定熔池湍流并增加熔池凝固時(shí)間。因此，我們觀察到 3D 打印測(cè)試結(jié)構(gòu)中高密度、降低的表面粗糙度和強(qiáng)大的拉伸性能的顯著改進(jìn)。

在過(guò)去的幾十年里，基于激光的金屬增材制造 (AM) 或三維 (3D) 打印獲得了巨大的吸引力，因?yàn)樗鼮閺?fù)雜設(shè)計(jì)的快速原型制作和制造提供了一種前進(jìn)的道路，具有超越傳統(tǒng)領(lǐng)域的卓越機(jī)械性能制造技術(shù)。激光粉末床熔融(L-PBF)一直是金屬3D打印的金標(biāo)準(zhǔn)，在掃描過(guò)程中，激光光束照射金屬粉末原料床，依次熔化并形成所需形狀的結(jié)構(gòu)。L-PBF中使用的高激光強(qiáng)度(~MW/cm2)導(dǎo)致高凝固生長(zhǎng)速率(R)和熔化池中大的熱梯度(G)。因此，熱量和質(zhì)量輸送機(jī)制取決于不穩(wěn)定性，由復(fù)雜的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和反復(fù)加熱和冷卻循環(huán)的累積效應(yīng)，這可能會(huì)不利地導(dǎo)致高G/R比值也會(huì)導(dǎo)致柱狀晶粒長(zhǎng)大和殘余應(yīng)力，不利于獲得各向同性力學(xué)性能。

AM的固有局限性已通過(guò)加入這種巧妙的策略作為合金設(shè)計(jì)，粉末原料工程，以及簡(jiǎn)單的機(jī)器參數(shù)優(yōu)化。更直觀的是，在 L-PBF 期間引發(fā)熔化的激光強(qiáng)度分布應(yīng)該會(huì)影響熔池的空間分布，從而影響熱梯度和凝固動(dòng)力學(xué)。然而，加工激光束的強(qiáng)度分布經(jīng)常被忽視，并且很少被研究，這可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)高功率商用激光器輸出 TEM 00模式，通常稱為高斯光束。高斯光束的特點(diǎn)是在 1/e 2束腰內(nèi)具有很強(qiáng)的強(qiáng)度局部化，其中包含約 86% 的入射功率。由于在緊密聚焦的區(qū)域提供高峰值強(qiáng)度，高斯光束誘導(dǎo)的熔池非常容易受到(i) 鎖孔的影響，鎖孔是由于熔池的蒸發(fā)和底層熔體上反沖壓力的積累而發(fā)生的池，以及 (ii) 飛濺生成，即未熔化或熔化的粉末顆粒的噴射。

鎖孔和飛濺都會(huì)對(duì)宏觀和細(xì)觀性能產(chǎn)生不利影響，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致孔的形成和印刷產(chǎn)品的表面質(zhì)量不佳。在調(diào)整熱分布方面缺乏靈活性對(duì)控制由熔池流體動(dòng)力學(xué)引起的其他不良影響提出了重大挑戰(zhàn)，包括激光-物質(zhì)和激光-羽流相互作用 以及孔隙率、相對(duì)密度之間的相互作用。密度和表面粗糙度。已證明打印產(chǎn)品的高表面粗糙度有助于顯著降低疲勞壽命。

最近，激光束整形策略已用于工程光物質(zhì)相互作用的背景下，以解決在金屬 AM 中使用聚焦高斯光束的缺點(diǎn)。特別是，與高斯光束相比，逆高斯 (環(huán)形) 光束顯示出在更廣泛的掃描參數(shù)范圍內(nèi)減少飛濺產(chǎn)生并減少缺陷。在單道研究中，橢圓形梁輪廓顯示出強(qiáng)烈影響凝固微觀結(jié)構(gòu)并增加等軸晶粒的傾向�；蛘�，平頂梁被證明可以實(shí)現(xiàn)均勻的溫度分布，并在中等能量密度下獲得致密的結(jié)構(gòu)。然而，這種從光束中心到邊緣的徑向強(qiáng)度的類似高斯和超高斯變化會(huì)在熔池中產(chǎn)生大的熱梯度，并限制了這種光束可以有效的掃描參數(shù)空間。至關(guān)重要的是，傳統(tǒng)的聚焦光束容易發(fā)生強(qiáng)衍射（擴(kuò)散）。因此，由于機(jī)械定位不一致，在光束焦點(diǎn)處準(zhǔn)確定位構(gòu)建表面的不確定性可能非常高。此外，L-PBF 所需的高激光功率（高達(dá)千瓦）和相對(duì)較長(zhǎng)的駐留時(shí)間相結(jié)合，通常會(huì)對(duì)光學(xué)元件產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，并導(dǎo)致諸如熱透鏡效應(yīng)之類的不良影響，這會(huì)使強(qiáng)度分布扭曲構(gòu)建表面或?qū)⒔裹c(diǎn)從其原始位置轉(zhuǎn)移。

貝塞爾光束是一類更廣泛的非衍射光束形狀，對(duì)光片顯微鏡和光阱等多種應(yīng)用至關(guān)重要。盡管可以設(shè)想和實(shí)施多種類型的非衍射和空間工程光束形狀，但它們通常涉及使用多個(gè)復(fù)雜的光學(xué)元件和/或空間光調(diào)制器，這可能不適用于涉及高激光功率的應(yīng)用�？梢允褂煤�(jiǎn)單的光學(xué)元件生成零階貝塞爾光束，而不會(huì)在商業(yè) 3D 打印機(jī)中構(gòu)成實(shí)質(zhì)性的可集成性挑戰(zhàn)�！�—潛在地減輕由空氣飛濺在 L-PBF 中引起的有害影響 ( 36）。至關(guān)重要的是，盡管需要探索控制激光-材料相互作用和改善最終材料性能的方法，但對(duì)復(fù)雜非衍射光束對(duì) L-PBF 中材料響應(yīng)的影響知之甚少。

在這里，我們展示了貝塞爾光束降低了 L-PBF（SS 316L 不銹鋼）期間焦平面定位的靈敏度。我們還表明，貝塞爾光束產(chǎn)生的熔池具有更大的縱橫比（更窄和更深），并且在廣泛的參數(shù)空間中顯著降低了鎖孔模式熔化的傾向。此外，我們證明了貝塞爾光束可以通過(guò)在更寬的參數(shù)空間上產(chǎn)生更密集且?guī)缀鯚o(wú)缺陷的結(jié)構(gòu)來(lái)顯著優(yōu)于高斯光束。我們還對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了高速成像，發(fā)現(xiàn)貝塞爾光束穩(wěn)定了熔池湍流，增加了凝固時(shí)間，并減少了飛濺的產(chǎn)生。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了模擬的支持G - R圖和成核機(jī)制，由集成的高保真功率尺度元胞自動(dòng)機(jī)模型完成。相關(guān)研究成果以題“Nondiffractivebeam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”發(fā)表在國(guó)際著名期刊ScienceAdvances上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358

圖1。高斯和貝塞爾光束形狀的強(qiáng)度分布示意圖。

( A ) 高斯和 ( B ) 徑向（x - y平面）零階貝塞爾光束輪廓的示意圖。( C和D ) 分別代表典型高斯光束和貝塞爾光束的軸向 ( z軸) 傳播和聚焦特性的漫畫(huà)，表明貝塞爾光束 ( z rb )的瑞利范圍明顯大于高斯光束 ( z rg )）。（Ë和˚F）徑向強(qiáng)度分布的代表性線剖面（沿X在焦點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量軸線）（Ž= 0，實(shí)線）和高斯光束和貝塞爾光束分別離焦點(diǎn) 200 μm（虛線）。( G ) 熔池縱橫比 ( d / w )，其中d和w是熔池深度和寬度，作為散焦距離 (Δ z )的函數(shù)，由貝塞爾（紅色）和高斯光束（灰色）引起. 實(shí)心標(biāo)記代表在散焦范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化為各自最大值的d / w平均值。誤差線表示 SD，虛線是對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的指數(shù)擬合。典型熔池示意圖和相應(yīng)尺寸（d、w和高度h ) 顯示在 (G) 的插圖中。

圖2。光束整形對(duì)熔池尺寸的影響。熔池的總尺寸 [( d + h )/ w ]——根據(jù)橫截面掃描電子顯微鏡圖像進(jìn)行評(píng)估，繪制為輸入工藝參數(shù)速度 ( v )、光束直徑 (σ) 和體積能量密度的函數(shù)( Q ) 對(duì)于 ( A ) 高斯光束和( B ) 貝塞爾光束生成的單軌。此圖中的工藝參數(shù)限制為P = 250 至 450 W、v < 500 mm/s、Q < 350 J/mm 3和 σ ~ 100 至 300 μm（用于高斯光束實(shí)驗(yàn)）和 σ ~ 140 至 300 μm 為貝塞爾光束。

圖3。作為能量密度函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化熔池深度。歸一化熔池深度 ( d* = 熔池深度/光束半徑) 作為無(wú)量綱能量密度 Δ H / h s的函數(shù)，使用 ( A ) 高斯光束和 ( B ) 貝塞爾光束照明獲得。這些點(diǎn)通過(guò)熔池縱橫比 ( d / w ) 是小于 0.5（空心標(biāo)記）還是大于 0.5（實(shí)心標(biāo)記）來(lái)分隔。掃描參數(shù)為P = 150 至 550 W，v< 1100 mm/s，σ = 90 至 280 μm。

圖 4。靜態(tài)熔池的高速成像。由靜止 (A ) 高斯光束和 ( B ) 貝塞爾光束引起的熔池的高速快照，照明時(shí)間 = 5 ms。快照是在激光關(guān)閉后 0.87 毫秒（左圖，凝固過(guò)程中）和 5.1 毫秒（右圖，完全凝固后）拍攝的。熔池的中心和外圍分別用紅色和黃色圓圈表示。在波動(dòng)熔池的 ( C ) 中心和 ( D ) 邊緣評(píng)估高斯和貝塞爾光束照明的凝固時(shí)間。凝固時(shí)間定義為熔池振蕩完全停止的時(shí)間相對(duì)于照明激光曝光關(guān)閉的時(shí)間。

圖 5。傳播熔池的高速成像。（A）在高斯（頂部，灰色邊框）和貝塞爾（底部，紅色虛線邊框）。( B ) 熔池蒸氣相對(duì)于水平面（平行于構(gòu)建表面的方向）的角度作為時(shí)間的函數(shù)，從單道掃描期間熔池傳播的側(cè)視高速成像快照評(píng)估在 SS 316L 粉床上。陰影誤差條代表數(shù)據(jù)的 SD。

圖 6（C 和 D）顯示了從真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中提取的屈服應(yīng)力 (YS) 和均勻伸長(zhǎng)率 (UE) 值（每個(gè)梁形狀進(jìn)行八次拉伸試驗(yàn)，載荷沿構(gòu)建軸施加），作為函數(shù)能量密度。作為能量密度的函數(shù)的極限抗拉強(qiáng)度和破壞總應(yīng)變的相應(yīng)圖，以及原始應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 1 和圖 2 所示。分別為 S10 和 S11。請(qǐng)注意，僅選擇了導(dǎo)致密度 > 98% 的掃描參數(shù)，并且能量密度范圍限于 Δ H / h s ~ 5 至 7.5（參見(jiàn)材料和方法）。貝塞爾梁（圖 6D）的強(qiáng)度和延展性與高斯梁（圖 6C）的強(qiáng)度和延展性相當(dāng)）。然而，作為能量密度函數(shù)的強(qiáng)度和延展性的趨勢(shì)對(duì)于兩條梁是不同的。從圖 6C可以看出，高斯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延展性隨 Δ H / h s下降> 5，這也對(duì)應(yīng)于密度緩慢下降的閾值（圖 S7）。顯然，即使在非常高的能量密度值下，由于減少了鑰匙孔的傾向，用貝塞爾束打印的零件也不太容易受到汽化引起的機(jī)械性能退化的影響。用兩種光束形狀打印的立方體的電子背散射衍射 (EBSD) 圖中的晶粒尺寸分析表明，盡管濾掉了大晶粒（晶粒縱橫比 >0.4），但晶粒尺寸或紋理沒(méi)有顯著差異（圖 S12）并且僅分析那些直徑限制在 <15 μm 的晶粒顯示使用 Bessel 光束的平均晶粒直徑減少了 30%。

圖 6。光束整形對(duì)機(jī)械性能的影響。用( A ) 高斯和 ( B ) 貝塞爾光束照明打印的立方體的平均表面粗糙度值 ( S a ) ，作為使用阿基米德方法測(cè)量的各自相對(duì)密度的函數(shù)。數(shù)據(jù)點(diǎn)顏色映射到入射能量密度 (Δ H / h s ) 值。BD 表示原理圖中的構(gòu)建方向。使用 ( C ) 高斯和 ( D ) 貝塞爾光束打印的狗骨試樣的測(cè)量屈服應(yīng)力 (YS)（黑色標(biāo)記）和均勻伸長(zhǎng)率（UE）（藍(lán)色標(biāo)記）。誤差棒代表數(shù)據(jù)的 SD。

圖 7。兩種光束形狀的G - R凝固圖。( A ) 高斯 (CG) 和 ( B) 貝塞爾 (BES) 光束的熱梯度 ( G ) 與固/液界面速度 ( R ) 的時(shí)間演變。疊加參考凝固圖使用 Hunt 模型計(jì)算，成核密度為N 0 = 10 × 10 15 m -3且臨界過(guò)冷度為 Δ T N = 10 K。加工參數(shù)為功率 = 300 W 和掃描速度 = 1.8多發(fā)性硬化癥。