對(duì)水霧化和氣霧化低合金鋼粉末進(jìn)行增材制造的對(duì)比研究

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

本文研究了水霧化和氣體霧化低合金鋼粉末激光加工的差異，重點(diǎn)研究了增材制造中粉末的行為和性能。測(cè)量了材料的包裝密度，建立了粉末包裝和軌道形成之間的關(guān)系。結(jié)果表明，水霧化粉末的軌道高度比氣體霧化粉末的軌道高度低15%。利用高速成像技術(shù)觀察材料在激光照射下的行為，分析粉末粒子的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，水霧化粉末具有機(jī)械聯(lián)鎖的傾向，因此顆粒夾帶較少。研究了粉末飛濺和熔池不穩(wěn)定性的發(fā)生。更頻繁的飛濺噴射被認(rèn)為是由于水霧化粉末中的氧氣量更高。

圖形摘要

本文比較了水霧化(WA)和增材制造(AM)、氣體霧化(GA)兩種粉末，重點(diǎn)研究了激光粉床熔合(LPBF)的過(guò)程動(dòng)力學(xué)和粉末行為。AM由于其比傳統(tǒng)的制造方法有許多優(yōu)點(diǎn)，最近引起了廣泛的關(guān)注。這些包括設(shè)計(jì)的自由，材料重量的減少，更短的交貨時(shí)間和制造完全密集的零件，非常復(fù)雜的幾何形狀。LPBF是目前AM的主要工藝之一，以粉末為原料，逐層生產(chǎn)零件。然而，除了有一些優(yōu)勢(shì)之外，該技術(shù)也有一些局限性。主要的工藝限制之一是制造成本。

SLM工藝中的材料固結(jié)與傳統(tǒng)鑄造工藝不同，傳統(tǒng)鑄造工藝中的熔化-凝固機(jī)制主要依賴于快速的溫度變化、重力效應(yīng)和熔體對(duì)流，而無(wú)需外加壓力。上圖顯示了在一個(gè)典型的SLM過(guò)程中，當(dāng)激光束通過(guò)并撞擊在堆積過(guò)程中沉積的粉末顆粒時(shí)發(fā)生的熱-機(jī)械反應(yīng)。

金屬的LPBF起源于粉末冶金(PM)和激光熔覆界，粉末用于制造高密度、耐磨和精密的零件。關(guān)于那些技術(shù)的現(xiàn)有知識(shí)創(chuàng)造了基礎(chǔ)，但不覆蓋AM的所有方面。許多類(lèi)型的粉末適用于LPBF，包括不銹鋼，鋁，鈦和鎳合金。然而，這些材料組成最初是為鑄造和機(jī)加工而開(kāi)發(fā)的，其中涉及的物理機(jī)制略有不同。氣體原子化和等離子體原子化(PA)粉末由于其化學(xué)純度和接近球形的形狀，使材料更容易在粉末床上分布，便于激光加工。

對(duì)流使來(lái)自不同區(qū)域的液態(tài)金屬混合，增強(qiáng)了熔池內(nèi)的熱量傳遞，如圖所示。循環(huán)方式對(duì)合金液中的溫度分布、升溫和冷卻速度、凝固方式以及合金組織和性能有重要影響。

氣體霧化工藝的生產(chǎn)能力相對(duì)較高，能夠制造具有廣泛粒徑分布的粉末。LPBF的目標(biāo)PSD通常是通過(guò)從用于PM的一批生產(chǎn)中篩出粉末來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這導(dǎo)致滿足AM要求的原料產(chǎn)量有限。等離子體霧化主要用于生產(chǎn)高純活性粉末材料。

本文在熔融池的形成、顆粒行為和剝蝕、飛濺產(chǎn)生和材料性能等方面進(jìn)行了許多研究工作。低氧含量、優(yōu)異的流動(dòng)性和高表觀密度解釋了人們對(duì)這些材料的興趣，因?yàn)檫@些特性決定了過(guò)程的效率。過(guò)程效率也受粉末輸送機(jī)制的控制，這主要取決于LPBF系統(tǒng)的特性，并且不同的機(jī)器供應(yīng)商不同的。

噴射剖面(特別是角度和速度)對(duì)飛濺分布至關(guān)重要的原因是，它們?cè)诔跏紘娚鋾r(shí)的慣性可能會(huì)對(duì)最終沉積位置產(chǎn)生影響。上圖顯示了粒子的軌跡如何從氣流中延伸。例如，對(duì)于質(zhì)量和大小相同的粒子，那些以高速度和大角度噴射的粒子將具有高動(dòng)能，在沒(méi)有氣體流動(dòng)的情況下轉(zhuǎn)化為更高的軌跡。

作為一種替代方案，水霧化粉末顆粒形態(tài)不規(guī)則，氧濃度略高。這是由于在霧化過(guò)程中更快的冷卻和凝固速度，以及使用水將金屬流分解成粉末。然而，通過(guò)調(diào)整霧化過(guò)程、改變生產(chǎn)路線或在工藝鏈中加入后處理程序，可以修改產(chǎn)生的形貌。

Boisvert等人進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在霧化之前對(duì)熔體進(jìn)行鎂處理，以改善WA粉末的形狀。該技術(shù)創(chuàng)造了促進(jìn)形成更多球狀粒子的條件。形狀的改善是由于鎂的存在增加了熔體的表面張力。Schade等人描述了一種專門(mén)用于AM的WA粉的制造工藝。該工藝通過(guò)使用高壓水霧化(HPWA)生產(chǎn)細(xì)WA粉末，然后從獲得的粉末中去除不規(guī)則顆粒。雖然上述方法證實(shí)了改變WA粉末形狀的可能性，但實(shí)現(xiàn)更球形的粉末會(huì)增加制造成本。

當(dāng)采用不同的霧化技術(shù)時(shí)，材料的性能往往會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)Li等人的研究，樣品使用GA粉與WA粉相比有更少的孔隙率。由于氧含量較低，材料的包裝密度較高，使得GA粉末結(jié)構(gòu)致密。粉末堆積密度是LPBF的一個(gè)重要特性，它描述了粉末顆粒在一定體積內(nèi)的排列，它們之間的空隙最小。分析了幾個(gè)因素，如粒度分布(PSD)，流動(dòng)性，形態(tài)，表面化學(xué)和顆粒間力決定填料的行為。

一般來(lái)說(shuō)，具有較寬PSD的粉末表現(xiàn)出較高的包裝密度值，因?yàn)椴牧现械募?xì)顆粒能夠填充相鄰的、較大的顆粒之間的空隙。在AM的大多數(shù)原料材料來(lái)與一個(gè)狹窄的PSD和接近球形的形狀，以確保均勻和容易的顆粒蔓延在粉床上。因此，LPBF的平均充填密度不超過(guò)60%。

對(duì)GA和WA粉末進(jìn)行了一些研究，以研究它們?cè)诩す庹丈湎碌男袨�。irinki等人報(bào)道了17-4PH不銹鋼WA和GA粉末在LPBF中的應(yīng)用研究。結(jié)果表明，與加工GA材料相比，WA粉的致密化需要略高的激光功率。鋁粉的低力學(xué)性能與高氧、高硫有關(guān)，這也改變了熔池的表面張力和Marangoni流動(dòng)。Durejko等人對(duì)用激光工程凈整形(LENS)技術(shù)制造的WA和GA鐵粉進(jìn)行了研究。研究表明，用WA粉制備樣品是可行的。作者報(bào)告說(shuō)，在研究中作為參考材料的GA粉末顯示出與WA粉末相似的孔隙數(shù)量。

目前的文獻(xiàn)綜述表明，由于GA粉的特點(diǎn)，LPBF一般采用GA粉作為原料，滿足AM的要求。這種材料的制造成本較高，生產(chǎn)收率有限。另一方面，WA粉性價(jià)比高，可以部分替代廣泛使用的GA粉。文獻(xiàn)只提供了成本差異的適應(yīng)癥。然而，某些缺點(diǎn)，如不規(guī)則的形狀，粉末分布在構(gòu)建平臺(tái)和降低表面質(zhì)量的最終組件阻礙材料的應(yīng)用在AM。通過(guò)改善WA粉末的形狀和研究其在LPBF中的行為，可以使該材料在AM中找到自己的生態(tài)位。然而，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)獲取更多關(guān)于其行為的知識(shí)，并最大限度地提高這種材料的應(yīng)用潛力。

今天，GA粉主要用于粉末冶金等應(yīng)用，只有一小部分細(xì)粉被篩選出來(lái)用于AM (LPBF)。由于粉末是為不同的目的同時(shí)生產(chǎn)的，成本計(jì)算包含許多不確定性。一個(gè)本質(zhì)的區(qū)別是，氣體霧化需要氮?dú)饣驓鍤庾鳛榘嘿F的氣體，而水霧化使用水將熔融分解成液滴。目前，這是WA粉有潛力比GA粉更具成本效益的主要指標(biāo)。用等離子體霧化生產(chǎn)單獨(dú)用于AM的粉末是另一種技術(shù)，盡管更昂貴和效率更低。

上圖用于確定單個(gè)粉末層的包裝密度a。當(dāng)制造最后一層時(shí)，只有它的邊緣是熔融的。所有留在標(biāo)本上的粉末都被小心地提取出來(lái)并密封在預(yù)先稱重過(guò)的塑料袋中。然后測(cè)量帶有粉末的塑料袋的重量，計(jì)算出粉末凈重。包裝密度的計(jì)算方法是將粉末的體積(重量除以材料的密度)除以提取粉末的體積。

本文研究了水霧化和氣體霧化低合金AISI 4130鋼粉末的過(guò)程物理差異，重點(diǎn)研究了粉末粒子動(dòng)力學(xué)和激光輻照下粉末行為。該材料的組成和性能是全新的AM。該粉末具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，同時(shí)具有相對(duì)較低的生產(chǎn)成本，這使其具有在AM中使用的吸引力。本文采用高速成像(HSI)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子動(dòng)力學(xué)的觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)采用相同粒徑范圍的WA和GA粉末進(jìn)行。研究了粉體的化學(xué)性質(zhì)和形貌對(duì)工藝行為的影響。

2. 材料和方法
2．1． 原料的特點(diǎn)
采用Höganäs AB公司提供的20-53 μ m的AISI 4130低合金鋼氣、水霧化粉末進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。除了形貌上的差異外，化學(xué)成分也因霧化過(guò)程而不同。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)分析粉末的化學(xué)成分。用惰性氣體熔合法測(cè)定氧和氮。用燃燒分析法測(cè)定硫含量和碳含量。結(jié)果如表1所示。

表1 GA和WA低合金鋼粉末的化學(xué)成分(wt%)。

每種粉末的粒度分布通過(guò)Sympatec Helos激光衍射法進(jìn)行評(píng)估。使用FEI Magellan 400超高分辨率掃描電子顯微鏡測(cè)定顆粒形態(tài)�；魻柫髁坑�(jì)漏斗法（ISO 4490）用于測(cè)量粉末的流動(dòng)性和表觀密度。相對(duì)密度計(jì)算如下：

ρ視密度是物質(zhì)的視密度(即粉末質(zhì)量除以其體積，g/cm3);ρ理論是物質(zhì)的理論密度(即散體物質(zhì)的密度，g/cm3)。得到的值如表2所示。

表2 GA和WA AISI 4130低合金鋼粉末的工藝性能。

2.2. 單軌激光加工

粉末被預(yù)先放置在一個(gè)270英寸的平臺(tái)上 × 250 × 2. 在LPBF實(shí)驗(yàn)裝置中，使用傾斜7°的連續(xù)波IPG Yb光纖激光器制作單軌的mm不銹鋼基板。激光波長(zhǎng)為1070 納米，激光束光斑為75 在焦點(diǎn)處為μm。光學(xué)元件由一個(gè)250毫米的透鏡組成毫米焦距準(zhǔn)直器和150毫米毫米焦距聚焦透鏡。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置并保持以下參數(shù)不變：250 W激光功率，3 m/min掃描速度，100 μm粉末層厚度（h，μm），1 軌道之間的填充間距為mm。事先測(cè)試了各種速度-功率組合，以選擇適用于兩種材料且無(wú)任何成球、氧化等的速度-功率組合。氬在大約18℃時(shí)用作保護(hù)氣體 l/min，以維持層流。氣管（直徑為20 mm）局部放置在加工區(qū)域上方，以防止氧化。在制備階段對(duì)裝置進(jìn)行了測(cè)試，以確保不會(huì)因氣流而對(duì)粉末床造成干擾。較高的氣體速率值導(dǎo)致湍流的產(chǎn)生，而較低的氣體速率值可能會(huì)促進(jìn)激光衰減，因?yàn)轱w濺物沒(méi)有完全從處理區(qū)域中清除。

從熔池噴出或被氣流吹走的飛濺物收集在不銹鋼板（150）上 × 250 × 2. mm）在粉末床后面�；蛘撸瑢�(shí)驗(yàn)可以在充滿保護(hù)氣體的密閉室中進(jìn)行。上述設(shè)置更適合于使用HSI觀察和研究現(xiàn)象。局部放置氣流的存在也有利于收集飛濺物進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估的實(shí)驗(yàn)。在構(gòu)建平臺(tái)上攤鋪粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)粉末流動(dòng)性存在一定差異。雖然WA粉末在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行了形狀處理，以使顆粒圓整并改善流動(dòng)性，但需要更多的努力才能達(dá)到與GA粉末相似的材料分布水平。

已知水分含量會(huì)影響粉末在粉末床上的鋪展以及后續(xù)加工。為了確保原料不會(huì)因運(yùn)輸和儲(chǔ)存條件、流動(dòng)性（水分含量的良好指示器）而受到粉末中水分的影響在激光加工之前測(cè)量粉末的質(zhì)量，其值與供應(yīng)商提供的粉末質(zhì)量證書(shū)中給出的值相似。

本研究旨在研究不同形貌粉末材料之間的粉末運(yùn)動(dòng)行為以及與激光加工相關(guān)的差異。工藝參數(shù)（掃描速度、激光調(diào)制等）和條件（氣體輸送、粉末撒布等）可能因機(jī)器供應(yīng)商而異。

一般來(lái)說(shuō)，商用LPBF系統(tǒng)的掃描速度高于本工作中應(yīng)用的掃描速度，且該過(guò)程在充滿氬氣的腔室中進(jìn)行。這里使用了開(kāi)放式線性軸激光系統(tǒng)，盡管速度限制較低，但提供了更大的實(shí)驗(yàn)靈活性，包括高速成像和飛濺收集。然而，所研究的方面仍然是本對(duì)比研究的代表，因?yàn)槠淠康氖橇私庀嗤�等�?jí)GA和WA粉末的粉末行為差異。

2．3. 高速成像分析
本研究使用了一臺(tái)Photron FASTCAM Mini UX100高速成像相機(jī)來(lái)檢測(cè)和識(shí)別WA和GA粉末的顆粒行為差異。CAVITAR提供了兩種照明激光器CAVILUXCW(光纖耦合輸出，連續(xù)波功率為50 W，波長(zhǎng)為810 nm)，用于錄制高質(zhì)量視頻。為了去除過(guò)程光，在相機(jī)鏡頭上應(yīng)用了一個(gè)窄帶通濾光片。這些視頻是利用遠(yuǎn)程顯微鏡以不同幀率錄制的;INFINITY型號(hào)K2, CF-2物鏡，放大率3.5倍。圖1展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，相機(jī)傾斜24°垂直于處理區(qū)域。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置，顯示處理和飛濺收集區(qū)域。氬管位于粉末床上方，與激光束方向相同。攝像機(jī)垂直于處理區(qū)域傾斜24°。

2.4. 軌道高度和面積的確定
為每種粉末類(lèi)型制造了60個(gè)單軌樣品。測(cè)量形成的珠子的高度和面積。樣本沿著軌道（在開(kāi)始、中間和末端）的幾個(gè)位置被切割，以識(shí)別軌道長(zhǎng)度的變化。利用光學(xué)立體顯微鏡尼康SMZ1270測(cè)量軌道高度（H，μm）。使用ImageJ程序確定軌道橫截面的面積。對(duì)兩種粉末獲得的值進(jìn)行平均并進(jìn)行評(píng)估，以研究軌跡大小的差異。

3.結(jié)果和討論
3.1. LPBF過(guò)程中粉末形態(tài)對(duì)原料性能的影響
粉末形態(tài)直接影響AM原料的性能。因此，正確理解粉末形狀在LPBF過(guò)程中的作用非常重要。本研究中使用的粉末在形態(tài)上有所不同，從GA粉末的近球形到WA的卷曲狀（圖2a，b）。WA鋼粉末在交付前由供應(yīng)商進(jìn)行機(jī)械處理，以改善其流動(dòng)性和表觀密度，因?yàn)檫@些特性對(duì)后續(xù)加工至關(guān)重要。圖2b顯示由于形狀改性處理，WA粉末具有稍高數(shù)量的細(xì)顆粒。

圖2 GA (a)和WA (b)低合金鋼粉末的形貌。

表2突出顯示了兩種材料的技術(shù)性能。相對(duì)密度用于表征粉末的堆積密度。通常，使用非球形顆粒時(shí)，任何給定粉末系統(tǒng)的填充效率都會(huì)降低。這一結(jié)論在本研究獲得的結(jié)果中得到了證實(shí)，導(dǎo)致GA和WA粉末的相對(duì)密度差異為18%（分別為53%和44%）。理論上，材料中細(xì)顆粒的存在應(yīng)通過(guò)填充較大顆粒之間的空隙來(lái)提高堆積密度。然而，獲得的WA堆積密度結(jié)果沒(méi)有顯示出任何顯著的改善，即使初始粒度分布與GA相比有更多的小顆粒�？梢杂^察到（圖3a，b）WA粉末平均粒度D50稍低（D50 = 37.5 μm）與GA粉末（D50）相比 = 42.5 μm）。

圖3 GA和WA低合金鋼粉末的密度q3 (a)和累積q3 (b)粒徑分布。

此外，WA粉末具有較高數(shù)量的細(xì)顆粒（D10） = 19 μm）與GA粉末（D10）相比 = 26.5 μm）。D10表示對(duì)應(yīng)于10%累積尺寸不足粒度分布的粒徑。這可歸因于WA粉末中顆粒間摩擦的增加，阻止細(xì)顆粒到達(dá)相鄰顆粒之間的空隙。粉末顆粒與附近的材料表面相互作用，形成機(jī)械接觸。

制造WA粉末的目的是使其盡可能與GA粉末相似。在化學(xué)、粒度分布和形態(tài)上仍存在一些差異。由于LPBF過(guò)程的復(fù)雜性，這些差異是否會(huì)影響該過(guò)程并具有相關(guān)性并不明顯。因此，開(kāi)展了本研究。當(dāng)比較粉末時(shí)，可以預(yù)期過(guò)程行為的差異，這與最終構(gòu)建的屬性相關(guān)。這些差異包括加工效率、粉末摻入和粉末床的降解，這些差異通過(guò)飛濺物落在粉末床上和粉末回收影響進(jìn)一步加工。

3.2. 激光加工過(guò)程中粉末的運(yùn)動(dòng)行為

圖4顯示了GA（a）和WA（b）粉末在熔池周?chē)�的移�?dòng)行為。箭頭表示粉末流動(dòng)區(qū)域，突出顯示GA粉末的更好流動(dòng)性（圖4a）。虛線（圖4a，b）顯示了熔池區(qū)域、激光束的位置以及粉末床上受激光照射影響的區(qū)域。

圖4 GA (a)和WA (b)粉末的粉末移動(dòng)行為。圖(a)和圖(b)中的箭頭表示粉末的移動(dòng)方向，GA粉末顆粒的移動(dòng)更大。示意圖顯示了粉末相互作用和運(yùn)動(dòng)的差異，(a)突出顯示GA圓形顆粒的自由流動(dòng)，(b) WA粉末的機(jī)械聯(lián)鎖。曝光時(shí)間為20 μs。

激光加工不同形貌的粉末時(shí)，工藝條件至關(guān)重要。粉末形態(tài)通過(guò)與激光束的相互作用間接形成熔池的前端。粉末表面積的大小決定了與激光束的相互作用區(qū)域。根據(jù)顆粒進(jìn)入熔體池的軌跡，它為熱域的啟動(dòng)和進(jìn)一步向熔體后部分布創(chuàng)造了不同的條件。圖5顯示了一系列的幀，突出顯示了使用GA (a)−(d)和WA (e)−(h)粉末時(shí)的過(guò)程動(dòng)態(tài)。

圖5 當(dāng)使用GA (a) - (d)和WA (e) - (h)粉末時(shí)，熔池-粉床相互作用�？煺罩械募�頭說(shuō)明了粉末顆粒的軌跡。用黃色突出顯示的粒子是從粉末床分離出來(lái)的蒸汽夾帶粒子。紅色標(biāo)記的噴出物是來(lái)自熔體池的反沖驅(qū)動(dòng)飛濺物。白色虛線表示融化池區(qū)域。一個(gè)80 × 80像素大小的區(qū)域突出了熔化池的前面區(qū)域，以便觀察粉末的移動(dòng)和分離。兩種材料的視頻都是以16000幀/秒的速度錄制的。

當(dāng)激光束穿過(guò)粉末床時(shí)，它將粒子帶到激光束的前面和周?chē)�。此外，位于激光路徑后面兩�?cè)的粒子也被吸引到激光-粉末相互作用點(diǎn)，這很可能是由于熔池蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽壓梯度。這意味著氬氣流動(dòng)對(duì)附著在粉末床上的顆粒的影響很小。當(dāng)熔體池的溫度超過(guò)汽化溫度時(shí)，就開(kāi)始汽化，從而通過(guò)熔體噴射去除材料。這導(dǎo)致了反沖驅(qū)動(dòng)飛濺的產(chǎn)生(圖5a, b, e, f, g, h)。

來(lái)自熔體池的金屬蒸汽誘導(dǎo)氣體向內(nèi)流動(dòng)，相對(duì)于掃描方向向上和向后拉粒子。因此，最初通過(guò)范德華力附著在基材表面的粉末顆粒很容易被分離并被拖向熔體池(圖5，用黃色突出顯示的顆粒)。

這種粒子運(yùn)動(dòng)被稱為由誘導(dǎo)氣流引起的蒸汽驅(qū)動(dòng)的粒子卷帶，導(dǎo)致軌道周?chē)�形成一個(gè)耗損區(qū)，從而產(chǎn)生Matthews等人所描述的剝蝕現(xiàn)象。在加工GA粉時(shí)，熔池附近的顆粒傾向于自由移動(dòng)，與熔融材料發(fā)生碰撞并浸入其中。這是由于GA粉末的圓形和良好的流動(dòng)性，這里的引力不足以將顆粒固定在適當(dāng)?shù)奈恢?圖4a)。一部分粉末被氣流夾帶，從熔池中卷走，成為飛濺物。

WA粉由于其形狀不規(guī)則，表面發(fā)達(dá)，表現(xiàn)不同，與相鄰顆粒產(chǎn)生機(jī)械接觸，形成團(tuán)聚體。團(tuán)聚體可能不會(huì)到達(dá)熔體池，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量更高，這是由于粒子聚集在一起而實(shí)現(xiàn)的。因此，更少的粒子有助于熔池的形成(圖4b)。在處理WA粉時(shí)，熔池也出現(xiàn)了相當(dāng)混亂和不穩(wěn)定的行為(圖5(e)-(h))，這很可能是由于與GA粉相比，粉末中的氧含量更高。

激光加工對(duì)金屬粉末的影響是AM研究的重點(diǎn)。這些問(wèn)題在一定程度上是過(guò)程中飛濺產(chǎn)生的結(jié)果。粉末飛濺主要由兩種機(jī)制引起：反沖壓力和Marangoni流耦合，以及誘導(dǎo)氣流引起的蒸汽驅(qū)動(dòng)顆粒夾帶。圖6a顯示了作用在熔池上的反沖壓力引起的熔池波動(dòng)。熔池在激光照射下振蕩，首先形成突起（圖6b）。隨著表面張力的降低，毛細(xì)管力無(wú)法將熔池保持在一起（這被稱為高原-瑞利毛細(xì)不穩(wěn)定），從而導(dǎo)致伸長(zhǎng)頸部的形成。最后，當(dāng)飛濺的動(dòng)能超過(guò)熔體池的毛細(xì)壓力時(shí)，噴出一個(gè)球狀液滴(圖6c)。

圖6 快照(16000 fps)突出顯示了ga4130低合金鋼粉末在激光照射下的熔池波動(dòng)，(a)開(kāi)始于熔池振蕩，(b)逐漸向凸起階段傳播。(c)隨著表面張力的降低，毛細(xì)力不能將熔池保持在一起，形成飛濺液滴。

反沖驅(qū)動(dòng)飛濺的直徑通常大于原料的直徑，這表明一旦飛濺落在粉床上，就會(huì)造成粉層不均勻，如果不清除的話，就會(huì)影響建板上物料的均勻分布。圖7顯示了飛行中的反沖驅(qū)動(dòng)飛濺粒子，它們從GA(圖7a)和WA(圖7b)粉末的激光-材料相互作用區(qū)噴射出來(lái)。

圖7 GA (a)和WA (b)粉料和反沖驅(qū)動(dòng)飛濺的尺寸差異�？罩械娘w濺呈圓圈狀，看起來(lái)比原始粉末大。圖像以8000幀/秒的速度通過(guò)遠(yuǎn)距離顯微鏡鏡頭記錄。

盡管了解過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺的大小和數(shù)量很重要，但很難量化每次系統(tǒng)運(yùn)行后收集的數(shù)據(jù)。由于冷卻條件與氣體霧化過(guò)程中的冷卻條件相似，即使初始顆粒形狀不規(guī)則，反沖驅(qū)動(dòng)噴射也獲得球形形態(tài)。噴射出的顆粒的直徑通常比原始粉末大。這適用于GA和WA粉末的加工。

圖8 激光處理GA (a)和WA (b)低合金鋼粉末后的飛濺和粉末收集。粘附在飛濺物表面的熔融顆粒也可以觀察到。

圖8突出顯示了反沖驅(qū)動(dòng)的飛濺物，這些飛濺物落回到了粉末床上。圖像顯示了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從飛濺物收集區(qū)域收集的飛濺物和原始粉末。GA（圖8a）和WA（圖8b）低合金鋼粉末的進(jìn)料和反沖驅(qū)動(dòng)飛濺物之間的尺寸差異很明顯，還可以觀察到飛濺物表面的熔融顆粒。

粉末床孔隙率和氧化物含量對(duì)飛濺的產(chǎn)生有影響。隨著溫度的升高，被困在顆粒之間或從粉末表面解吸的氣體開(kāi)始膨脹，促進(jìn)飛濺噴出。集中在顆粒表面的氧化膜也可能降低與以前的粉末層和基底的潤(rùn)濕程度，從而導(dǎo)致缺陷的形成。此外，降低粉末與基體的附著力會(huì)降低粉末層的質(zhì)量。

需要指出的是，無(wú)論使用哪種原料，粉末飛濺都是AM中的常見(jiàn)現(xiàn)象。表面活性元素（如氧和硫）濃度的微小差異可改變金屬中的熱毛細(xì)力。隨著表面張力的降低，液滴可以以更低的流體流動(dòng)速度逃離熔池。先前已經(jīng)證明，材料中的高氧含量可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的表面張力梯度穿過(guò)熔體池的表面，觸發(fā)熔體流動(dòng)的循環(huán)，這產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的流體運(yùn)動(dòng)。

事實(shí)上，據(jù)Dubberstein等人報(bào)道，少量增加氧含量可以顯著降低鋼液的表面張力。因此，這可能導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，并最終導(dǎo)致飛濺噴出。在這項(xiàng)研究中，測(cè)量了兩種材料在粉末床后收集的飛濺的質(zhì)量。結(jié)果表明，處理WA粉時(shí)產(chǎn)生的飛濺比處理GA粉(分別為0.55 g和0.13 g)時(shí)多。由于兩種粉末的工藝參數(shù)和條件都保持不變，因此產(chǎn)生的噴出量的差異被認(rèn)為是由于WA粉末中氧氣含量較高。

3.3. WA和GA粉末之間的軌跡高度差異
圖9顯示了使用GA和WA低合金鋼粉末生產(chǎn)的固化軌道的光學(xué)圖像。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，參數(shù)保持不變：激光束的焦平面位于表面，形成接近頂帽的光束輪廓，光束作為連續(xù)波運(yùn)行。

圖9 GA (a)和WA (b)粉末的固化熔跡。6個(gè)軌道的激光功率為250 W，掃描速度為3 m/min，磁層厚度為100μm，艙口間距為1 mm。

一般而言，激光束（直徑、功率、輪廓等）和掃描速度與粉末顆粒沒(méi)有直接相互作用，但在熔池前面運(yùn)行的激光束的一小部分除外。粉末顆粒在與激光束相互作用之前達(dá)到熔化溫度。因此，激光主要與已經(jīng)熔化的材料相互作用。相反，光束和速度決定了熔池的形狀。顆粒并入熔池取決于熔池前端的形狀。

一旦顆粒在熔池中熔化，其原始形狀對(duì)任何后續(xù)機(jī)制都不會(huì)產(chǎn)生任何影響。相反，粉末的不同化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響某些物理性質(zhì)和相關(guān)機(jī)制，特別是通過(guò)表面張力的差異。粉末中氧和硫等表面活性元素的存在會(huì)改變表面張力，從而改變?nèi)垠w中的流體流動(dòng)，從而導(dǎo)致熔體池中產(chǎn)生不穩(wěn)定性。

與商業(yè)LPBF系統(tǒng)相比，其掃描速度更低(3 m/min)，從而產(chǎn)生了更寬的熔池。軌道寬度沿長(zhǎng)度有微小的變化，很可能是由于熔池不穩(wěn)定;兩種粉末熔體池平均寬度相似，但軌道高度和截面面積存在差異(見(jiàn)圖10)。這種差異源于兩種類(lèi)型的粉末在粉末層中的包裝行為。

圖10 GA (a)和WA (b)粉在軌道高度上的差異。

粉末形狀影響LPBF中的層堆積特性，進(jìn)而影響工藝效率。單珠測(cè)量的結(jié)果表明，與GA粉末相比，使用WA粉末時(shí)的軌道高度降低了15%（圖10）。此外，WA粉末的軌道橫截面計(jì)算面積比GA粉末低31%。這表明了原料相對(duì)密度與單層粉末填料之間的關(guān)系（如第3.1節(jié)所述）。這一結(jié)果也可以解釋為更好的粉末流動(dòng)性和更高的顆粒夾帶到激光-材料相互作用區(qū)域。數(shù)值如表3所示。

表3通過(guò)光學(xué)顯微鏡和ImageJ測(cè)定GA和WA粉末的軌跡高度（H）和面積（S）值（平均值）。

獲得的GA和WA粉末之間的徑跡高度差異還表明，WA粉末的多孔粉末床導(dǎo)致粉末層內(nèi)的熱傳導(dǎo)降低，因此，AM工藝效率較低。

4.結(jié)論
本文的研究結(jié)果表明，在激光輻照下，WA的行為與GA 4130低合金鋼粉末不同�？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

•   結(jié)果表明，用WA粉制作連續(xù)軌道是可行的。因此，可以得出結(jié)論，該材料有可能成為最常用GA粉末的替代品。然而，在加工之前，應(yīng)考慮材料包裝行為的差異。

•   使用WA粉末時(shí)的軌跡高度比從GA粉末獲得的值低15%。此外，WA粉末的橫截面積降低了31%。這歸因于較低的堆積密度（比鎵粉低18%）和材料的不規(guī)則形態(tài)，有結(jié)塊和機(jī)械聯(lián)鎖的趨勢(shì)。

•   WA和GA粉末的加工性能通過(guò)高速成像與激光輻照下粉末行為的關(guān)系進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明，由于WA粉末形狀不規(guī)則，導(dǎo)致其與相鄰顆粒接觸，因此具有不同的顆粒夾帶行為。這會(huì)阻止粉末從粉末床上分離。因此，較少的顆粒到達(dá)熔池并浸入其中。

•   根據(jù)HSI，WA粉末具有更頻繁的飛濺噴射。從飛濺物收集區(qū)獲得的質(zhì)量證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。這很可能是由于WA粉末中的氧氣含量較高，從而導(dǎo)致熔體池中的不穩(wěn)定性。

來(lái)源：A comparative study of water and gas atomized low alloy steelpowders for additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2020.101675
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