粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（1）

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過程中常見的缺陷/異常及其形成機(jī)制。本文為第一部分。

金屬增材制造是一種顛覆性技術(shù)，正在徹底改變制造業(yè)。盡管該技術(shù)在直接制造具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件方面具有無與倫比的能力，但該技術(shù)的廣泛實(shí)現(xiàn)目前受到微觀結(jié)構(gòu)缺陷和異常的限制，這可能會(huì)顯著降低產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性和服務(wù)性能。準(zhǔn)確檢測(cè)、表征和預(yù)測(cè)這些缺陷和異常對(duì)制造完全密集和無缺陷的構(gòu)建具有重要而直接的影響。本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過程中常見的缺陷/異常及其形成機(jī)制。它們可能來自原材料，加工條件和后處理。雖然激光焊接中的缺陷/異常已經(jīng)被廣泛研究，但它們的形成和演變?nèi)匀徊磺宄�。此外，粉末床熔融技術(shù)中存在粉末可能會(huì)產(chǎn)生新型缺陷，例如，孔隙率從粉末轉(zhuǎn)移到建筑物中。減輕缺陷的實(shí)用策略也通過對(duì)其形成的基本了解來解決。這種探索可以驗(yàn)證和校準(zhǔn)模型，并簡(jiǎn)化過程鑒定，而無需昂貴的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。

1. 簡(jiǎn)介和背景
金屬增材制造
金屬增材制造（AM，也稱為3D打�。┦且幌盗屑夹g(shù)，由三個(gè)主要生產(chǎn)過程組成，即粉末床，粉末進(jìn)料和送絲。這些工藝的不同之處在于其鋪展或分層材料的方式以及熔合或粘合原料的方式。與傳統(tǒng)制造相比，金屬增材制造具有許多卓越的能力，包括縮短設(shè)計(jì)到上市的周期，更低的能耗，以及將組件整合到具有復(fù)雜幾何形狀的單元零件中的能力。還有制造非標(biāo)準(zhǔn)微觀結(jié)構(gòu)的能力，有可能定制局部性質(zhì)。

在基于聚變的AM（例如，激光粉末床熔融）中，使用熱源（例如，激光）來熔合材料，并且該過程背后的基礎(chǔ)知識(shí)是關(guān)于熔化和凝固的。相比之下，使用高能量密度光束（如激光）的焊接冶金已經(jīng)被廣泛研究了幾十年。因此，一個(gè)直觀的想法是從現(xiàn)有的知識(shí)體系中學(xué)習(xí)，并在理解金屬AM中微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的形成和演變時(shí)應(yīng)用它。盡管它們的相似性如何，但值得注意的是，一些可焊接合金（例如，AA6061）不容易通過熔接基AM工藝加工，因?yàn)樵贏M加工過程中收縮應(yīng)力和大凝固范圍的組合會(huì)產(chǎn)生開裂。因此，需要高溫預(yù)熱等技術(shù)解決方案。

Ti-6Al-4V粉末的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描顯示原料內(nèi)捕獲的氣體孔隙率。

對(duì)于許多材料而言，靜態(tài)機(jī)械性能主要由微觀結(jié)構(gòu)特征決定，并且在內(nèi)部空隙的存在下相對(duì)堅(jiān)固，但材料的疲勞和斷裂行為會(huì)因缺陷的存在而顯著降低。材料空隙在零件加載時(shí)充當(dāng)應(yīng)力集中位點(diǎn)，有助于在循環(huán)加載期間加速裂紋成核和擴(kuò)展，并限制AM在疲勞受限應(yīng)用中的使用。正如Seifi等人所指出的，減少增材制造系統(tǒng)中的可變性是增材制造組件的認(rèn)證和在工業(yè)中成功采用該技術(shù)的關(guān)鍵。雖然對(duì)于任何制造方法來說，完全消除加工缺陷是不可能的，但了解其來源是提高增材制造部件的可靠性和可重復(fù)性的重要一步。

具有優(yōu)化加工參數(shù)的增材CoCrMo合金中存在的無熔合缺陷的例子。

本綜述旨在詳細(xì)總結(jié)金屬粉末床熔融AM缺陷的表征和緩解技術(shù)，以限制其發(fā)生。這里的金屬包括鎳基、鈦基、鋁基和鐵基合金。我們依次描述粉末床熔融AM工藝，表征工具（原位和非原位），粉末相關(guān)，工藝相關(guān)和加工后相關(guān)缺陷，緩解技術(shù)，可能的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及機(jī)械和腐蝕性能。我們進(jìn)行本綜述的目的是確定已發(fā)表文獻(xiàn)中的差距和研究需求，從而提高我們對(duì)金屬AM工藝的理解并指導(dǎo)AM機(jī)器的操作。

1.2. 粉末床熔融AM技術(shù)的分類

粉末床熔融（PBF）技術(shù)目前在金屬增材制造中提供了最佳的再現(xiàn)性和尺寸精度，因此在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了很好的研究。通常，PBF技術(shù)利用以下步驟來制造零件：（1）將指定厚度的金屬粉末層鋪展到機(jī)器的構(gòu)建板上;（2）使用激光或電子束熱源選擇性地將粉末層內(nèi)的所需區(qū)域熔化在一起;（3）構(gòu)建板向下移動(dòng)，并在構(gòu)建板上鋪上一層新的粉末;（4）逐層重復(fù)此過程，直到零件完成。PBF工藝已用于各行各業(yè)的眾多應(yīng)用，例如醫(yī)療（定制的骨科組件和來自鈦，不銹鋼和鈷鉻合金生物材料的植入物），航空航天和國防（燃料噴嘴，支架，渦輪葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)部件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件）和能源（熱交換器和渦輪機(jī)翼型）。

用于構(gòu)造用于機(jī)器學(xué)習(xí)的coupons的構(gòu)建板的配置。

根據(jù)ISO/ASTM52900標(biāo)準(zhǔn)[18]的規(guī)定，PBF被定義為一種增材制造工藝，其中熱能選擇性地熔合粉末床的區(qū)域。屬于這一類別的工藝包括電子束熔化（EBM），選擇性激光熔化/燒結(jié)（SLM / SLS），最近被描述為直接金屬激光熔化（DMLM）或直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）。ASTM為增材制造技術(shù)定義了以下術(shù)語：

•用于直接激光沉積→激光束定向能量沉積（L-DED）;

•用于選擇性激光熔化、激光粉末床熔融等→激光束粉末床熔融（L-PBF）;

•用于電子束技術(shù)，如粉末進(jìn)料或粉末床→分別為 E-DED 和 E-PBF。

1.2.1. 激光束粉末床熔融

L-PBF（又名選擇性激光熔化）使用激光作為逐層制造零件的主要工具。它能夠生產(chǎn)一系列金屬合金的零件，包括鋁，鈦，鐵和鎳基高溫合金。

圖1總結(jié)了L-PBF AM的分步過程方法。一旦整個(gè)部件被打印出來，多余的粉末就會(huì)被移除（并且經(jīng)常被回收），然后從構(gòu)建室中卸載構(gòu)建板。由于打印部件熔合到構(gòu)建板上，因此需要機(jī)械拆卸。在移除之前，零件通常留在構(gòu)建板上并進(jìn)行應(yīng)力消除熱處理，以最大限度地減少殘余應(yīng)力，消除翹曲并保持尺寸精度。

圖 1 L-PBF 計(jì)算機(jī)的一般構(gòu)建方法。矩形灰色圖紙表示L-PBF工藝過程中的粉末床。

L-PBF技術(shù)填補(bǔ)了需要快速原型制作或小批量生產(chǎn)的行業(yè)的利基市場(chǎng)。該工藝固有的增材性質(zhì)允許打印復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)（圖2a）和具有復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀的部件，如GE燃料噴嘴（圖2b）。此外，它允許零件加固和幾何優(yōu)化，以減輕重量，例如座椅支架（圖2c）。

圖 2 增材制造幾何圖形的示例。（a）復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。（b） GE打印的燃油噴嘴。（c）通用汽車制作的輕質(zhì)座椅支架。

金屬零件的L-PBF近年來已基本發(fā)展。除了越來越多的商用機(jī)器外，還進(jìn)行了大量研究以改進(jìn)該技術(shù)。主要挑戰(zhàn)之一，特別是在疲勞是一個(gè)問題的應(yīng)用中，是構(gòu)建內(nèi)部形成的缺陷。了解制造過程和缺陷形成是構(gòu)建高質(zhì)量零件的關(guān)鍵。

通常，缺陷可以通過三種特定方式產(chǎn)生或轉(zhuǎn)移到成品零件上，即通過：（1）從原料粉末轉(zhuǎn)移，（2）熔化過程中的激光 - 粉末 - 金屬相互作用，以及（3）后處理�？傮w而言，在LPBF中觀察到四種不同類型的缺陷，即：熔合孔隙率不足，鎖孔孔隙率，球化和氣體孔隙率。為了限制金屬增材制造過程中的缺陷產(chǎn)生，必須通過適當(dāng)選擇加工參數(shù)來考慮和控制孔隙形成或轉(zhuǎn)移的所有三種機(jī)制。其中，激光-粉末-金屬相互作用是金屬AM加工過程中最常見的孔隙率轉(zhuǎn)移手段，其中通�？梢杂^察到諸如“鎖孔”和“無融合”（LOF）孔隙率等缺陷。

更詳細(xì)地說，熔池之間是否有足夠的重疊來確保所有點(diǎn)至少熔化一次，從而確定熔融孔隙度邊界的缺乏。LOF孔隙率最近也被證明是由于噴射的顆粒/飛濺物與激光和熔池的相互作用而形成的。在激光掃描過程中，大的飛濺物可能無法完全熔化，因此成為潛在的孔隙生成位點(diǎn)。相反，鎖孔孔隙度邊界對(duì)應(yīng)于深鎖孔中的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致孔隙被擠壓。第三個(gè)邊界（稱為“串珠”邊界）由流體流動(dòng)模式和熔池毛細(xì)管不穩(wěn)定性的組合決定，并且是LPBF AM系統(tǒng)中保持精度（例如，同時(shí)增加速度和功率）的同時(shí)提高生產(chǎn)率的限制因素。全密度可以量化為具有>99.9%體積密度的樣品，但應(yīng)該注意的是，仍然存在較大的缺陷。其目的是優(yōu)化加工參數(shù)，減少LPBF AM材料中不需要的缺陷，并最終證明在由缺陷含量定義的工藝窗口中操作LPBF機(jī)器是可行的。

用于確定LOF孔隙率邊界的樣品根據(jù)LOF準(zhǔn)則以及相應(yīng)的缺陷密度繪制。

關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、孔隙度水平和缺陷形成的影響的研究很多。有影響力的工藝參數(shù)包括（1）激光相關(guān)參數(shù)（例如，激光功率、光斑尺寸、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖頻率），（2）掃描相關(guān)參數(shù)（例如，掃描速度或速度、掃描間距或出雛、掃描旋轉(zhuǎn)和掃描圖案），（3）粉末相關(guān)參數(shù)（例如，粉末形態(tài)、粒度和分布、層厚度、加樣和材料特性）和（4）宏觀參數(shù)（例如，粉末床溫度及其均勻性、氣體流量、氣體類型、吊具桿類型）。除了P-V-H-L處理組合外，掃描策略（圖3）在PBF工藝中的缺陷形成中起著至關(guān)重要的作用。掃描策略影響傳熱、粉末熔體形成和凝固速率，影響缺陷的類型、位置和分布以及晶粒形態(tài)。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)、熱源功率、掃描速度和策略以最大限度地減少工藝引起的孔隙率至關(guān)重要。

圖 3 （A）L-PBF過程中使用的不同掃描策略。（B）示出掃描模式的示意圖。（C）（a）Hilbert和（b）Gosper的分形掃描策略示例。

在激光粉末床熔融過程中以及隨后的粉末擴(kuò)散過程中，由許多粉末特性控制，激光選擇性地掃描粉末層的表面，以按照相應(yīng)層中的STL輸入文件熔化和熔化金屬粉末。復(fù)雜的激光物質(zhì)相互作用導(dǎo)致許多現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能導(dǎo)致最終部件的缺陷。常見缺陷包括球化/珠狀、無熔合、鎖孔孔隙率、熔融金屬或粉末顆粒飛濺物噴出、周圍基材剝蝕或微觀結(jié)構(gòu)缺陷。許多研究都集中在可視化和分析此類異常的實(shí)驗(yàn)方法上。然而，在其形成中起主要作用的一個(gè)重要方面是激光與物質(zhì)的相互作用。

熔池的微觀結(jié)構(gòu)顯示了晶粒取向和形態(tài)。

選擇性激光熔化可以從松散的粉末中制造出不僅具有與傳統(tǒng)制造的組件相似的物理形狀，而且還具有相似的性能。此外，SLM可以生產(chǎn)復(fù)雜的零件，如果用傳統(tǒng)技術(shù)制造，則需要一系列制造過程，消耗多余的材料（即浪費(fèi)），時(shí)間和精力。在某些情況下，甚至可以使用SLM制造任何傳統(tǒng)制造方法都無法實(shí)現(xiàn)的零件。SLM的方法是選擇性地掃描粉末床，從而熔化粉末以逐層構(gòu)建組件。在SLM中，組件構(gòu)建在底板上，激光束穿過x-y平面中的每個(gè)層。在每層之后降低活塞，以允許后續(xù)粉末層沉積。該過程連續(xù)重復(fù)，直到部件完成。SLM過程消耗的時(shí)間可分為主時(shí)間和輔助時(shí)間。主要時(shí)間是熔化粉末層所需的時(shí)間，而輔助時(shí)間是基底降低和粉末沉積。

1.2.2. 電子束粉末床熔化

E-PBF使用電子束作為熱源，選擇性地?zé)�結(jié)/熔化粉末。該工藝能夠制造出近乎完全致密的金屬零件，其機(jī)械性能可與傳統(tǒng)制造的零件相媲美，例如鑄件或成型件。因此，E-PBF部件可以在許多應(yīng)用中用作承重結(jié)構(gòu)。商業(yè)化的 E-PBF 系統(tǒng)的操作經(jīng)過優(yōu)化，可最大限度地減少缺陷，就像在 L-PBF 中一樣。然而，這些系統(tǒng)為過程修改提供了較少的自由度，并且缺乏對(duì)功率和掃描速度等的直接控制。

E-PBF系統(tǒng)有三個(gè)主要組件：電子輸送，粉末擴(kuò)散系統(tǒng)和構(gòu)建室。顧名思義，E-PBF和L-PBF之間的主要區(qū)別在于熱源。E-PBF工藝使用電子槍作為熱源，其位于粉末床的正上方（圖5）。電子是通過加熱燈絲產(chǎn)生的，燈絲可以是鎢絲或六硼化鑭LaB6陰極。然后，電子被施加的電壓加速，由一系列電磁透鏡聚焦和引導(dǎo)。與激光光學(xué)相比，E-PBF工藝中的電磁透鏡可以無慣性地移動(dòng)電子束。結(jié)果，電子束的峰值掃描速度可以達(dá)到102m/s，明顯快于激光器的速度，激光器的速度被掃描光學(xué)元件限制在幾米/秒。

E-PBF工藝通常在預(yù)熱步驟后具有兩種熔化模式，如圖4所示。剖面線是填充體積區(qū)域的熔化模式，并使用光束沿著平行掃描路徑來回掃描，由預(yù)定義的剖面線間距距離分隔。之后，輪廓勾勒出每個(gè)橫截面的邊緣，并提高表面光潔度�？梢愿�改的一些常見參數(shù)包括光束電流，焦點(diǎn)偏移（控制光斑大�。﹫D案填充間距距離等。

圖 4 E-PBF工藝中三種熔融模式的實(shí)際圖像和示意圖。

E-PBF機(jī)器中的另一個(gè)關(guān)鍵模塊是粉末擴(kuò)散系統(tǒng)，其基本目標(biāo)是在熔化步驟之前將粉末從儲(chǔ)液罐輸送到構(gòu)建板上均勻的層上。在Arcam E-PBF系統(tǒng)中，兩個(gè)料斗和一個(gè)耙子被協(xié)調(diào)以完成上述任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn) E-PBF 粒徑范圍為 45–106 μm，比 L-PBF 中使用的原料更粗糙。較粗的粉末減少了吸煙，因?yàn)轭w粒質(zhì)量更大，這意味著需要更多的動(dòng)能來噴射任何給定的顆粒。此外，由于在E-PBF工藝中，工藝分辨率（即熔池尺寸）通常較粗糙，因此不需要使用更細(xì)的粉末。當(dāng)然，使用較粗的粉末更具成本效益，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)霧化技術(shù)產(chǎn)生的粒徑范圍比AM中使用的顆粒范圍更廣。

由于球形、特定粒徑范圍和化學(xué)純度的要求，目前市場(chǎng)上用于SLM和EBM工藝的Ti粉末主要通過氣體霧化（GA）或等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝（PREP）生產(chǎn)，兩者的運(yùn)營(yíng)成本都很高。此外，一些增材制造設(shè)備供應(yīng)商為其特定機(jī)器提供自己的專有粉末套件。因此，對(duì)于大多數(shù)AM操作和應(yīng)用，粉末和成品零件的成本很高。對(duì)于Ti AM的更廣泛應(yīng)用，需要適用于AM的具有成本效益的球形Ti粉末。

UPB系統(tǒng)中收集的不同粉末的宏觀表面輪廓：Arcam Ti-6Al-4V（a）原始粉末和（b）用過的粉末，經(jīng)PMT處理的新型Ti粉末（c）45–106μm，（d）75–106|μm和（e）45–75μm。

同樣，懸垂需要支撐結(jié)構(gòu)，就像在L-PBF過程中一樣，但用途不同。與后一種工藝不同，E-PBF中使用的高預(yù)熱可能儲(chǔ)存的殘余應(yīng)力很少。然而，總是有可能在未熔化的粉末包圍的懸垂物中積聚熱量，這些粉末具有較低的導(dǎo)熱性。局部過熱會(huì)導(dǎo)致熔池尺寸過大，并與預(yù)期的構(gòu)建條件（和尺寸）發(fā)生偏差。E-PBF中的支撐結(jié)構(gòu)用于為從懸垂物中提取熱量提供固體通道。

顯示新型Ti粉末表面特征的掃描電鏡圖像（a）在PMT處理30分鐘之前和（b）之后和（c）以及（c）PMT處理的粉末顆粒橫截面的光學(xué)顯微照片

1.3. 熔化模式

基于粉末的增材制造（AM）利用移動(dòng)的能量源（例如，電子束或激光）以逐層方式選擇性地熔化金屬粉末，以構(gòu)建所需的3D（3D）結(jié)構(gòu)。下圖顯示了從有限元模型獲得的溫度等值線和熔池邊界。FE計(jì)算的熱結(jié)果可以進(jìn)一步計(jì)算熔池尺寸，凝固速率和溫度梯度，從而可以預(yù)測(cè)凝固微觀結(jié)構(gòu)。

（a）有限元模型溫度輪廓（°C）和熔池邊界（黑線表示）的橫截面圖（y–z）；（b）有限元模型溫度輪廓（°C）和熔池邊界（黑線表示）的縱向視圖（x–z）。模擬激光功率為200 W，掃描速度為960 mm·s−1，吸收率為0.5。

在一些研究中已經(jīng)報(bào)道了測(cè)量溫度和模擬之間的直接比較。Peyre等人構(gòu)建了一個(gè)由20層組成的薄壁，其中三個(gè)熱電偶放置在基板上。通過溫度測(cè)量驗(yàn)證了熱預(yù)測(cè)，顯示了熱量積聚（來自連續(xù)層）對(duì)熔池尺寸的影響。Denlinger等人使用數(shù)值模型來估計(jì)包含38層的塊狀幾何形狀的熱歷史，以便與Inconel 718粉末床融合期間的原位溫度測(cè)量進(jìn)行比較。預(yù)測(cè)的溫度與測(cè)量結(jié)果吻合良好。

圖5顯示了假設(shè)的高斯激光束在傳導(dǎo)和鎖孔模式下的激光能量吸收之間的比較。除純傳導(dǎo)模式外，激光與液態(tài)金屬相互作用，粉末熔化成熔池前部的液體。此外，散焦（在L-PBF中）或焦點(diǎn)偏移（在E-PBF中）會(huì)影響打印模式和孔隙形成，即散射激光會(huì)降低功率密度，這有助于避免不穩(wěn)定的鎖孔和孔隙形成。

圖5 初始時(shí)刻激光在傳導(dǎo)模式和鎖孔模式下的能量吸收示意圖。假定激光具有高斯分布。在傳導(dǎo)模式下，激光能量被上表面吸收，而在鎖孔模式下，激光能量主要被吸收在蒸汽腔的內(nèi)表面。

1.3.1.傳導(dǎo)模式

傳導(dǎo)模式通常與熔池有關(guān)，其中汽腔及其相關(guān)影響可忽略不計(jì)。傳導(dǎo)模式通常會(huì)產(chǎn)生半圓形熔池或長(zhǎng)寬比較小的熔池，如圖5所示�；�板中的能量密度足夠低，以至于基板溫度不會(huì)升高到沸點(diǎn)以上，因此不會(huì)形成汽腔。Bag等人采用了僅傳導(dǎo)傳熱模式的假設(shè)，他們使用自適應(yīng)體積源成功地對(duì)點(diǎn)焊進(jìn)行了建模。在他們的研究中，熔池都顯示出與導(dǎo)電模式焊接相關(guān)的特征，近似半圓形。在另一種方法中，Russo等人將傳導(dǎo)模式焊接描述為熔池運(yùn)動(dòng)或擴(kuò)展（去聚焦）熱源不會(huì)干擾熱分布。

a顯示從數(shù)值模型獲得的熱演化的三維溫度等值線圖；感興趣點(diǎn)的b和c溫度。溫度顯示在下一粉末層沉積之前。

上圖a顯示了當(dāng)上表面溫度相對(duì)均勻時(shí)，下一粉末層沉積前的層溫度。圖a還表明，由于建造過程中的熱量積累，建造的高層具有局部較高的基礎(chǔ)溫度。預(yù)計(jì)室溫的最大溫升約為250°C。圖b、c顯示了所有14個(gè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)溫度歷史（在層沉積結(jié)束時(shí)）。該圖說明了整體能量輸入、幾何特征和制造時(shí)間對(duì)整體溫度升高的影響。例如，圖b顯示了幾何圖形左側(cè)的薄區(qū)域建造完成后，在點(diǎn)1和點(diǎn)2上方?jīng)]有進(jìn)一步的直接熱量輸入的情況下，約300分鐘左右的層溫度突然下降。由于掃描面積較小，一層的掃描時(shí)間從70秒減少到50秒，導(dǎo)致約500分鐘的層溫度突然升高。

1.3.2. 鎖孔模式

當(dāng)激光功率強(qiáng)度增加到約1 MW/cm2以上時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了鎖孔模式。激光沖擊材料表面會(huì)提高溫度，導(dǎo)致熔化。隨著溫度進(jìn)一步升高并達(dá)到沸點(diǎn)，金屬蒸汽的形成會(huì)產(chǎn)生反沖壓力。反沖壓力將熔融金屬向下推，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的氣體腔，稱為鎖孔。激光進(jìn)入鎖孔后，在被吸收（或部分反射出去）之前，會(huì)經(jīng)歷來自前后鎖孔壁的多次反射。如圖5所示，與傳導(dǎo)模式相比，在PBF過程中，已經(jīng)凝固的零件將經(jīng)歷更多的再熔化和冷卻熱循環(huán)。

鑰匙孔形狀各異的照片。鋁膜厚度為0至0.6 mm。激光功率：1000 W，焊接速度：1 m min−1，離焦：0mm，保護(hù)氣體流量：2m3h−1。

上圖顯示了鋁膜厚度范圍為0至0.6 mm的鎖孔形狀的清晰照片。關(guān)于相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為1/1000 s，激光束和鎖孔都可以在如此短的時(shí)間內(nèi)被視為靜止。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣液界面清晰可辨，鎖孔彎曲方向與焊接速度相反。鎖孔彎曲的原因是由于激光束與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際的深刺激光焊接中。鎖孔的形狀由鎖孔等離子體的密度控制。當(dāng)兩塊玻璃之間沒有夾住鋁膜時(shí)，鑰匙孔的形狀狹窄而深，具有可變橫截面的細(xì)長(zhǎng)毛細(xì)管。隨著鋁膜厚度的增加，這意味著鎖孔等離子體的密度更高，孔徑增加以及更深的鎖孔形成。當(dāng)薄膜的厚度增加到0.3毫米的中間厚度時(shí)，鑰匙孔達(dá)到5.3毫米的最大深度。繼續(xù)加厚鋁膜，孔徑繼續(xù)擴(kuò)大;然而，鎖孔的深度急劇減少。這種現(xiàn)象表明，鎖孔等離子體的過量密度阻礙了入射激光束向內(nèi)部材料的傳輸。多余的鎖孔等離子體會(huì)阻擋激光束，反射并重新聚焦激光束，導(dǎo)致鎖孔塌陷。

來源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974

參考文獻(xiàn)：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.