《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

來源：材料學網(wǎng)

導讀：基于粉末床熔融的金屬增材制造中涉及的高熱梯度和復雜的熔池不穩(wěn)定性通常會導致高孔隙率、較差的形態(tài)質(zhì)量和較低的機械性能。與高斯光束相比，貝塞爾光束提供了前所未有的對不銹鋼(ss316l)熔體時空演化的控制。貝塞爾光束的非衍射特性使 3D 打印過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。熔池演化和凝固動力學的高速成像揭示了一種獨特的機制，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間。因此，我們觀察到 3D 打印測試結構中高密度、降低的表面粗糙度和強大的拉伸性能的顯著改進。

在過去的幾十年里，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，因為它為復雜設計的快速原型制作和制造提供了一種前進的道路，具有超越傳統(tǒng)領域的卓越機械性能制造技術。激光粉末床熔融(L-PBF)一直是金屬3D打印的金標準，在掃描過程中，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構。L-PBF中使用的高激光強度(~MW/cm2)導致高凝固生長速率(R)和熔化池中大的熱梯度(G)。因此，熱量和質(zhì)量輸送機制取決于不穩(wěn)定性，由復雜的熔體流動動力學和反復加熱和冷卻循環(huán)的累積效應，這可能會不利地導致高G/R比值也會導致柱狀晶粒長大和殘余應力，不利于獲得各向同性力學性能。

AM的固有局限性已通過加入這種巧妙的策略作為合金設計，粉末原料工程，以及簡單的機器參數(shù)優(yōu)化。更直觀的是，在 L-PBF 期間引發(fā)熔化的激光強度分布應該會影響熔池的空間分布，從而影響熱梯度和凝固動力學。然而，加工激光束的強度分布經(jīng)常被忽視，并且很少被研究，這可能是因為大多數(shù)高功率商用激光器輸出 TEM 00模式，通常稱為高斯光束。高斯光束的特點是在 1/e 2束腰內(nèi)具有很強的強度局部化，其中包含約 86% 的入射功率。由于在緊密聚焦的區(qū)域提供高峰值強度，高斯光束誘導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。

鎖孔和飛濺都會對宏觀和細觀性能產(chǎn)生不利影響，因為它們會導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控制由熔池流體動力學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。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烈影響凝固微觀結構并增加等軸晶粒的傾向�；蛘�，平頂梁被證明可以實現(xiàn)均勻的溫度分布，并在中等能量密度下獲得致密的結構。然而，這種從光束中心到邊緣的徑向強度的類似高斯和超高斯變化會在熔池中產(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。至關重要的是，傳統(tǒng)的聚焦光束容易發(fā)生強衍射（擴散）。因此，由于機械定位不一致，在光束焦點處準確定位構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（高達千瓦）和相對較長的駐留時間相結合，通常會對光學元件產(chǎn)生較大的熱應力，并導致諸如熱透鏡效應之類的不良影響，這會使強度分布扭曲構建表面或?qū)⒔裹c從其原始位置轉移。

貝塞爾光束是一類更廣泛的非衍射光束形狀，對光片顯微鏡和光阱等多種應用至關重要。盡管可以設想和實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復雜的光學元件和/或空間光調(diào)制器，這可能不適用于涉及高激光功率的應用。可以使用簡單的光學元件生成零階貝塞爾光束，而不會在商業(yè) 3D 打印機中構成實質(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，但對復雜非衍射光束對 L-PBF 中材料響應的影響知之甚少。

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在更寬的參數(shù)空間上產(chǎn)生更密集且?guī)缀鯚o缺陷的結構來顯著優(yōu)于高斯光束。我們還對熔池動力學進行了高速成像，發(fā)現(xiàn)貝塞爾光束穩(wěn)定了熔池湍流，增加了凝固時間，并減少了飛濺的產(chǎn)生。我們的實驗結果得到了模擬的支持G - R圖和成核機制，由集成的高保真功率尺度元胞自動機模型完成。相關研究成果以題“Nondiffractivebeam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”發(fā)表在國際著名期刊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，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）徑向強度分布的代表性線剖面（沿X在焦點實驗測量軸線）（Ž= 0，實線）和高斯光束和貝塞爾光束分別離焦點 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. 實心標記代表在散焦范圍內(nèi)標準化為各自最大值的d / w平均值。誤差線表示 SD，虛線是對數(shù)據(jù)點的指數(shù)擬合。典型熔池示意圖和相應尺寸（d、w和高度h ) 顯示在 (G) 的插圖中。

圖2。光束整形對熔池尺寸的影響。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行評估，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（用于高斯光束實驗）和 σ ~ 140 至 300 μm 為貝塞爾光束。

圖3。作為能量密度函數(shù)的標準化熔池深度。歸一化熔池深度 ( d* = 熔池深度/光束半徑) 作為無量綱能量密度 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。這些點通過熔池縱橫比 ( d / w ) 是小于 0.5（空心標記）還是大于 0.5（實心標記）來分隔。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，照明時間 = 5 ms。快照是在激光關閉后 0.87 毫秒（左圖，凝固過程中）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。在波動熔池的 ( C ) 中心和 ( D ) 邊緣評估高斯和貝塞爾光束照明的凝固時間。凝固時間定義為熔池振蕩完全停止的時間相對于照明激光曝光關閉的時間。

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 ) 熔池蒸氣相對于水平面（平行于構建表面的方向）的角度作為時間的函數(shù)，從單道掃描期間熔池傳播的側視高速成像快照評估在 SS 316L 粉床上。陰影誤差條代表數(shù)據(jù)的 SD。

圖 6（C 和 D）顯示了從真實應力-應變曲線中提取的屈服應力 (YS) 和均勻伸長率 (UE) 值（每個梁形狀進行八次拉伸試驗，載荷沿構建軸施加），作為函數(shù)能量密度。作為能量密度的函數(shù)的極限抗拉強度和破壞總應變的相應圖，以及原始應力-應變曲線，如圖 1 和圖 2 所示。分別為 S10 和 S11。請注意，僅選擇了導致密度 > 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（參見材料和方法）。貝塞爾梁（圖 6D）的強度和延展性與高斯梁（圖 6C）的強度和延展性相當）。然而，作為能量密度函數(shù)的強度和延展性的趨勢對于兩條梁是不同的。從圖 6C可以看出，高斯結構的強度和延展性隨 Δ H / h s下降> 5，這也對應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�？v橫比 >0.4），但晶粒尺寸或紋理沒有顯著差異（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。光束整形對機械性能的影響。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量的各自相對密度的函數(shù)。數(shù)據(jù)點顏色映射到入射能量密度 (Δ H / h s ) 值。BD 表示原理圖中的構建方向。使用 ( C ) 高斯和 ( D ) 貝塞爾光束打印的狗骨試樣的測量屈服應力 (YS)（黑色標記）和均勻伸長率（UE）（藍色標記）。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 ) 的時間演變。疊加參考凝固圖使用 Hunt 模型計算，成核密度為N 0 = 10 × 10 15 m -3且臨界過冷度為 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。