綜述：激光粉末床熔融中飛濺物的原位檢測、生成、影響和對策

導讀：飛濺是激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造中一種固有的、不可預防的、不受歡迎的現(xiàn)象。飛濺行為與L-PBF的成型質量有著內在的聯(lián)系，因為它導致了冶金缺陷和機械性能的下降。在多激光L-PBF工藝中制造大尺寸零件時，這種影響變得更加嚴重。因此，對飛濺的產生和對策的研究變得更加迫切。



2022年8月，南極熊獲悉，來自中國地質大學等的研究者們在《Micromachines》發(fā)表了一篇綜述，題目為《A Review of Spatter in Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: In Situ Detection, Generation, Effects, and Countermeasures》（《激光粉末床熔融增材制造中的飛濺物綜述：原位檢測、生成、影響和對策》）。在文章中，研究人員回顧了有關L-PBF中飛濺物的現(xiàn)場檢測、產生、影響和對策，預計它將為新一代高效和智能的L-PBF系統(tǒng)提供指導。


△金屬制造工藝的分類：等材料制造，增材制造，減材制造

一、研究背景
在多激光L-PBF過程中，熱循環(huán)和應力循環(huán)、熔池特性、飛濺行為和金屬蒸氣演化都與單激光PBF不同，多激光L-PBF下的飛濺檢測更加困難。由于這個原因，對L-PBF飛濺的研究變得非常緊迫。飛濺作為L-PBF的副產品是不可預防的。

●它對成形過程是一種損害，零件和重新沉積的飛濺物會破壞原來良好的粉末層，導致非熔合缺陷。

●由于L-PBF的獨特性，飛濺的不良影響在逐層加工過程中會被放大。飛濺會影響粉末的后續(xù)再涂層和熔化，導致生產的零件出現(xiàn)內部缺陷或零件無法成型。

由于飛濺物對L-PBF有很大的影響，它可以用來表示L-PBF的加工狀態(tài)。通過觀察和量化飛濺物，可以在飛濺物和零件質量之間建立內在的聯(lián)系，使人們能夠更全面地了解L-PBF工藝，解決穩(wěn)定性和可靠性不足的問題，使這項技術得到更廣泛的推廣和應用。

二、激光粉末床融合飛濺物原位檢測裝置
L-PBF檢測系統(tǒng)可分為：靜態(tài)檢測（擴散粉末和變形的成像）和動態(tài)檢測（熔池、飛濺物和蒸汽羽流的特征）。

●激光焊接、切割和DED產生的飛濺與L-PBF產生的飛濺相似，是由激光和金屬材料之間的相互作用造成的。然而，與激光焊接、切割和DED相比，L-PBF的光斑更�。▇101至102微米），熔池更�。ㄟ_100微米），壽命更短（~10毫秒），掃描速度更高（~102至103毫米/秒）。

●此外，在L-PBF中，激光與粉床和金屬部件的相互作用不止一次，導致飛濺物的數(shù)量和種類更多，使原位飛濺物檢測更加復雜。激光與粉床的相互作用產生了熔池、飛濺物和蒸汽羽流（甚至等離子體）。

飛濺可分為熱滴飛濺（主要來自熔池的不穩(wěn)定性）和冷粉飛濺（主要由保護氣體的蒸汽誘導夾帶驅動）。兩者都可以用裝有照明光源的可見光照相機進行檢測，并利用收集到的相關信息對其進行分析。根據(jù)各種研究，目前有以下方法可用于L-PBF濺射檢測：（1）可見光高速攝像機，（2）X射線視頻成像，（3）紅外視頻成像，（4）裂隙視頻成像。


△從不同的現(xiàn)場檢測技術中獲得的特征

三、飛濺物的產生原理
在L-PBF中，在高能激光的作用下，金屬粉末在溫度達到熔點時被熔化形成熔池，然后在熔池表面溫度超過沸點時被汽化形成金屬蒸汽甚至等離子體煙氣。在L-PBF過程中，不同的相（固、液、汽）之間有明顯的相互作用，其中汽-固相互作用和汽-液相互作用是飛濺產生的主要機制。

1.飛濺的分類

L-PBF中產生的飛濺物具有不同的形態(tài)，各種參數(shù)影響飛濺物的產生。到目前為止，還沒有關于飛濺分類的共同定義。有些研究人員已經(jīng)對飛濺物展開了研究。有的研究者將飛濺分為液滴飛濺物和粉末飛濺物。飛濺的形成機制可以表現(xiàn)為熱飛濺噴射和冷飛濺噴射，前者主要由蒸汽誘導的反沖壓力導致的熔池不穩(wěn)定驅動，后者主要由蒸汽誘導的保護氣體夾帶驅動。還有的研究人員意識到，三個主要的飛濺源：反沖壓力、馬蘭戈尼效應和熔池的熱效應。這三種不同的飛濺來源導致了三種類型的飛濺形態(tài)。更多相關研究可以查看文末鏈接。


△L-PBF期間不同類型飛濺物的形成機制。

2.從熔池的 "液底 "噴出的液滴濺射的研究

熔池是L-PBF的一個關鍵特征。許多關于熔池飛濺的研究都是通過數(shù)值模擬完成的，這避免了重復實驗的高成本和低效率。針對這項研究，許多的研究者都做出了極大的努力。Khairallah等人使用三維高精度模型研究了粉末尺度上飛濺的產生機制。研究發(fā)現(xiàn)，在L-PBF過程中，金屬蒸汽對熔池施加壓力，導致液態(tài)金屬的排放。當液態(tài)金屬被拉伸時，由于表面張力傾向于使表面能最小化，“金屬柱”變薄并分解成小液滴。Altmeppen等人提出了一種方法來模擬與時間有關的顆粒和從移動的熔池中噴出的熱量。這個模型可以預測濺射的方向和速度，并通過評估局部激光掃描的方向和速度來確定單個顆粒的大小和溫度。為了驗證飛濺物產生的內在機制，實驗中應用了X射線成像和高速成像來檢測飛濺物。更多相關研究可以查看文末鏈接。


△激光加工過程中Ti-6Al-4V的金屬噴濺的MHz X射線圖像

3.從基材的 "固體底座 "噴射出的粉末飛濺的研究

由于氣流的夾帶效應，靠近激光作用區(qū)的粉末顆粒被噴出并飛濺。Ly等對激光焊接和L-PBF工藝的熔池流體力學進行了實驗比較。研究發(fā)現(xiàn)，與激光焊接相比，L-PBF中飛濺的主要原因不是激光引起的反沖壓力，而是由金屬蒸汽驅動的環(huán)境氣流對微粒子的夾帶作用。Leung等人對缺陷和熔池進行的高速X射線視頻成像支持Ly等人關于L-PBF過程中產生冷和熱夾帶飛濺的假設。Chen等人建立了一個多相流模型來研究L-PBF期間的飛濺產生。飛濺現(xiàn)象被證明是由金屬蒸汽和環(huán)境氣體引起的夾帶的結果，這支持了Ly等人的研究結果。更多相關研究可以查看文末鏈接。


△L-PBF中噴濺過程和蒸汽羽流與噴濺行為之間的相互作用示意圖

4.多激光-PBF制造過程中飛濺物產生機制的研究

基于L-PBF的多激光束已廣泛應用于航空航天和能源領域中，以滿足日益增長的大尺寸零件的制造需求。Andani等人使用高速攝像技術研究了雙束L-PBF過程中Al-Si10-Mg粉末的飛濺行為。他們表明，工作激光束的數(shù)量對SLM過程中的飛濺產生機制有很大影響。更多的工作激光束會在熔池上方產生更大的反沖壓力，并從熔池中噴射出更多的金屬材料。然而，沒有描述雙光束激光器和材料在重疊區(qū)域的相互作用。


△飛濺物產生的主要機制的轉變示意圖

四、飛濺的影響

在L-PBF中，飛濺物和金屬粉末會破壞工藝穩(wěn)定性、降低能源效率，降低了制造物的精度，并有可能損壞機器。根據(jù)目前的研究，L-PBF中飛濺帶來的缺點可以分為三類：

(1) 飛濺對打印加工的影響：飛濺會影響下一層的粉末再涂層，降低激光器的能量輸入效率和粉末再涂層裝置的運行穩(wěn)定性以及光學鏡片。


△飛濺物對重涂的影響


△飛濺物和其他副產品穿過激光流，浪費了激光能量

(2) 飛濺對結構和性能的影響：飛濺不利于控制打印件的結構（如空隙、粗糙度）和性能（如拉伸性能、氧含量）。


△顆粒的背面散射電子顯微照片，通過FIB切片顯示顆粒的微觀結構和表面氧化物（深色物質）（a）有氧化斑點和（b）有氧化涂層

(3) 飛濺對粉末回收的影響：回收的粉末會夾帶飛濺顆粒，導致粉末質量明顯下降。使用回收的粉末來成型零件會導致零件性能的降低。


△凝結物的SEM圖像。

五、飛濺物應對措施
飛濺的不利因素包括設備、部件和粉末。有效的飛濺對策可以延長設備的壽命，提高部件的質量，并提高粉末的使用率。飛濺的整個周期可分為三個部分：生成、噴射和再沉積。

●在產生階段，可以通過優(yōu)化激光體積能量密度（VED）、激光束模式和建筑室的壓力來抑制飛濺的產生。

●在噴射和再沉積階段，應用保護氣體流來清除粉末床上方運動的飛濺物。

六、總結
此綜述總結了關于L-PBF中的現(xiàn)場檢測、產生、影響和防止飛濺的對策。

(1) L-PBF期間飛濺物的現(xiàn)場檢測系統(tǒng)：檢測方法是基于飛濺物和熔池的物理特性（軌跡和亮度）。軌跡和亮度的差異導致了檢測系統(tǒng)的傳感器和光源的不同。。由于與熔池相比，飛濺物在三維空間中的軌跡復雜且不可預測，檢測需要多個傳感器和復雜的算法。與明亮的高溫熔池相比，飛濺物由明亮的熱液滴飛濺物和黑暗的冷粉末飛濺物組成。如果沒有外部光源，很難捕捉到暗色冷粉末飛濺的運動。因此，必須應用可見光源來實現(xiàn)對兩類飛濺物的檢測。

(2) L-PBF中飛濺的產生機制：飛濺可分為來自熔池 "液基 "的液滴飛濺和來自基材 "固基 "的粉末飛濺。- 來自熔池 "液基 "的液滴飛濺。液滴飛濺源于熔池的不穩(wěn)定性。馬蘭戈尼效應和在熔池表面產生的金屬蒸汽反沖壓力導致飛濺物從熔池的 "液體基地 "噴出。- 粉末飛濺來自基體的 "固體底座"。粉末飛濺是由金屬蒸汽驅動的環(huán)境氣體流的夾帶效應引起的。在高速運動的金屬蒸氣附近產生一個低壓區(qū)，周圍的惰性保護氣體將被 "夾帶 "到熔池附近，促使粉末飛濺從基片的 "固體底座 "噴出。

(3) L-PBF過程中的飛濺影響：飛濺不僅對設備和零件的質量有負面影響，而且對粉末的整個生命周期也有影響。因此，飛濺對當前的L-PBF制造和后續(xù)的L-PBF制造都有很大影響。對設備來說，激光光路將被噴出的飛濺物阻擋，而刮刀將被重新沉積的飛濺物損壞。而且，重新沉積的飛濺物會導致零件結構和機械性能的惡化。

(4)L-PBF中的飛濺對策：對于飛濺的整個周期（產生-噴射-再沉積），飛濺對策分為飛濺產生抑制和飛濺清除。通過優(yōu)化激光體積能量密度（如提高掃描速度、降低激光功率、降低層厚、增加激光光斑）、激光束模式（貝塞爾光束）和建筑室的壓力，可以抑制飛濺的產生。可以采用模擬仿真方法（CFD和DEM）和全尺寸的幾何模型來優(yōu)化流檔結構。在粉床中心應用一定值的高速氣流（反Coanda效應），極大地提高了飛濺物的清除效率。

七、展望未來
未來的研究方向 作為金屬AM的主要技術，L-PBF正朝著更高的效率、精度、速度和大尺寸零件的制造發(fā)展。然而，在L-PBF過程中，飛濺對產品的質量產生了負面影響。以下是研究人員整理的L-PBF飛濺行為的研究趨勢：

(1)多激光器下飛濺行為的研究。多激光器的協(xié)同作用一直是實現(xiàn)大尺寸零件更高效制造的主要解決方案。然而，由于金屬蒸氣的增強、馬蘭戈尼效應和多激光互動下的夾帶，飛濺的機制變得更加復雜。此外，每個激光器都會引起 "液態(tài) "和 "固態(tài) "噴出的飛濺物，使用多個激光器，飛濺物的數(shù)量會急劇增加。由于大尺寸的建造室，飛濺物更難被氣體流動所清除。因此，對多光束制造中飛濺物的研究變得更加迫切。

(2) 提高原位濺射檢測的質量。可見光高速相機和X射線成像技術在飛濺檢測中的結合，與飛濺檢測的發(fā)展趨勢相吻合。兩種方法的結合使我們能夠從內部（熔池）到外部（粉床）研究飛濺行為，并獲得更多關于飛濺行為的信息。多傳感器系統(tǒng)在飛濺物的研究中是不可或缺的，在現(xiàn)有四眼傳感器的基礎上，可以擴大傳感器的數(shù)量。

(3) 利用人工智能進行信息處理。多傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量可能會隨著溫度、輻射強度 、光強信息、聲學信號以及熔池和飛濺物的圖像等數(shù)據(jù)源的加入而呈指數(shù)級增長。因此，機器學習（有監(jiān)督、半監(jiān)督、無監(jiān)督）對于有效處理多源和異質數(shù)據(jù)是必要的。

(4) 飛濺物的對策。目前，常用模擬方法來研究飛濺物的對策，模擬中使用的原始數(shù)據(jù)來自于其探測。提高檢測信息的全面性和準確性，有利于飛濺物對策模擬的實際應用。(5) 商用L-PBF設備。一些公司（如Concept laser、EOS、SLM solutions）已經(jīng)開發(fā)了L-PBF制造過程中檢測熔池的系統(tǒng)，但設備中仍缺乏飛濺檢測。由于L-PBF中復雜的飛濺行為和嚴重的負面影響，有必要通過使用動態(tài)控制來盡可能多地去除飛濺。增加一個現(xiàn)場飛濺檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對氣體流場控制的動態(tài)反饋。

原文鏈接： https://doi.org/10.3390/mi13081366