金屬粉末床熔合增材制造中的激光熔化模式（2）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


據(jù)悉，在這篇綜述中，區(qū)分了基于過程的不同熔化模式的定義與基于事后證據(jù)的定義。本文強調(diào)了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對激光能量的吸收。本文為第二部分。

B、 基于流程的定義
1.概念定義

Zhao等人（2017）首次報道了操作高速同步加速器x射線成像技術(shù)，用于監(jiān)測激光聚變AM過程。由于前所未有的時間和空間分辨率以及比實驗室x射線成像高數(shù)量級的高幀速率已被探測。因此，對激光熔化模式的定義進行了相應修訂（Cunningham等人，2019）。結(jié)果總結(jié)在圖5（a）-5（c）。在固定的激光束下，熔化模式隨時間從傳導轉(zhuǎn)變?yōu)樾】住?br />

圖5 通過高速同步輻射x射線成像由蒸汽凹陷和熔池形態(tài)定義的激光熔化模式。

在過渡模式下，熔池保持穩(wěn)定的準半圓形狀，而蒸汽凹陷變深且呈錐形，并呈現(xiàn)波動。在鎖孔模式下，熔池深而窄，可能呈現(xiàn)雙峰形狀，頂部為碗狀，底部為尖峰狀。這與傳統(tǒng)結(jié)果基本一致。在所有熔化模式中都可能存在蒸汽凹陷。也就是說，激光束通常不會直接與平坦的熔池相互作用，而是通過某種淺或深的蒸汽凹陷。

有趣的是，在高熱輸入的L-PBF和激光焊接工藝中研究鎖孔模式及其隨后的孔隙形成方面做出了廣泛的貢獻。正如Panwisawas等人所述，鎖孔和鎖孔誘導孔隙的機制需要進一步研究，因為它們?nèi)匀徊皇呛転槿怂�知。文獻中提出了鎖孔孔形成的各種理由。在最近的另一項工作中，Cunningham等人使用超高速X射線成像系統(tǒng)捕獲了鈦合金各種工藝條件下的鎖孔演變及其孔隙率形成。然而，盡管他們以極大的時空細節(jié)觀察了這些現(xiàn)象，但他們沒有提供任何關(guān)于孔隙和鎖孔如何以及為什么形成的信息 - 留下了物理解釋和理由。與King等人（非原位）和Cunningham等人（原位）的純實驗工作相反，Tang等人使用不銹鋼L-PBF的高保真模型研究了鎖孔的形成。然而，他們的工作不包括任何實驗研究，并且將鎖孔引起的孔隙率與文獻中的焊接和L-PBF結(jié)果進行了定性比較。

整個計算域的3D視圖。

從熱傳輸?shù)慕嵌葋砜�，兩個溫度點Tsk和Tsm主要取決于局部吸收的激光能量、熔體流動通量、熱擴散通量、蒸發(fā)潛熱、固液轉(zhuǎn)變潛熱以及表面輻射和對流的熱損失。熔池變得不穩(wěn)定，并顯示出錐形或尖峰尖端[圖5（c）]。

基于熔池和蒸汽凹陷的形態(tài)，重新定義了熔融模式。盡管圖5（c）中的示例使用了固定激光束，但可以通過將過渡時間轉(zhuǎn)換為臨界掃描速度[圖5（f）]或通過檢查熔池和蒸汽凹陷的橫截面，將該方法擴展到掃描激光情況。這些基于過程的定義打破了歷史限制，并提供了新的社區(qū)指南。

最重要的是，在很大程度上，在金屬的激光熔合AM中，是蒸汽凹陷將激光束和熔池連接起來。

2.嚴格的定義

在這里提出的嚴格的鎖孔定義中，不考慮角度和偏振相關(guān)的吸收率。

在具有給定光斑尺寸的固定激光束下，熔化模式取決于激光輻照度和相互作用時間，為了嚴格定義模式，需要激光熔化的物理過程的某些方面（即蒸汽抑制和熔池演變）。也就是說，這里演示的是相互作用時間，而不是輻照度。

在圖5（d）中，對于給定的激光功率和光斑尺寸，蒸汽凹陷深度與時間的曲線顯示了一個明顯的過渡點，在此之前，深度以幾乎恒定的速率緩慢增長，之后，深度開始波動。該時間點的轉(zhuǎn)變被定義為蒸汽壓下轉(zhuǎn)變。它嚴格定義了傳導模式的上限和過渡模式的下限。在過渡之前，空腔不是嚴格意義上的鑰匙孔。

在圖5（e）中，熔池隨時間的深度與寬度縱橫比呈現(xiàn)出兩種不同的轉(zhuǎn)變。第一個轉(zhuǎn)變與圖5（d）中定義的蒸汽壓下轉(zhuǎn)變一致，之后縱橫比迅速增加。這種巧合表明，如果存在蒸汽腔，傳導模式下的蒸汽壓下動力學相對較慢，熔池動力學可以跟上。當縱橫比達到約0.5的值（隨激光功率變化）時發(fā)生第二轉(zhuǎn)變，此后縱橫比的增加停滯。這種轉(zhuǎn)變被定義為熔池轉(zhuǎn)變，它定義了轉(zhuǎn)變模式的上限和鎖孔模式的下限。

溫度場的輪廓以及融合等值線和速度矢量。

3.從靜止到掃描

對于給定的光斑尺寸，掃描激光束的兩個主要加工參數(shù)是激光功率（P）和速度（V）。它們構(gòu)成了P-V空間。在激光聚變增材制造中，將構(gòu)建質(zhì)量與P-V空間直接關(guān)聯(lián)是一種有效但啟發(fā)式的方法。與其他使用密度或孔隙率或熔融熔池或機械強度作為檢驗指標的研究相比。圖5（f）和圖5（g）使用基于過程的瞬態(tài)蒸汽減壓。當速度接近零時，掃描光束變得靜止。換言之，在宏觀層面上，不管它們的差異（如不對稱熔池和掃描下的蒸汽凹陷形態(tài)），靜止光束和掃描光束通過激光-物質(zhì)相互作用時間內(nèi)在地連接。

如上所述，在穩(wěn)定光束下定義的熔化模式可以通過兩個過渡時間點td和Vd¼D/td擴展到掃描情況，其中D是激光光斑尺寸。對于給定的激光功率，有兩個臨界速度點分別對應于蒸汽壓下和熔池轉(zhuǎn)變。對于一系列功率，這些點可以連接到兩條線，將P-V空間劃分為傳導、過渡和鎖孔狀態(tài)。在圖5（f）中，下藍線表示蒸汽壓下轉(zhuǎn)變，上紅線表示熔池轉(zhuǎn)變。此外，鎖孔區(qū)可以進一步分為穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，后者對應于P-V空間中的高功率區(qū)和低速區(qū)。

當匙孔充分向下穿透（等值線內(nèi)）時，由于液體的高變形性，它將繼續(xù)進入熔體的背面。此時，激光要么大多無法穿透那么遠，要么由于大量碰撞而失去了大部分能量，鎖孔尾部的局部溫度會降低。該低溫區(qū)將導致表面張力的局部增加和該位置的反沖壓力的顯著降低，最終導致孔隙的形成。

(a) t = 0.705 ms， (c) t = 1 ms， (e) t = 1.2 ms。(b)、(d)、(f)為相應的3D視圖。

為了闡明從淺深度熔池到鎖孔條件的快速過渡，上圖中描繪了三個不同時間的2D和3D溫度等值線以及速度矢量。

P-V空間中熔化模式的這些擴展定義并不嚴格，特別是在低功率和低速區(qū)域，在那里，蒸汽凹陷和熔池波動顯著。它們簡單地從靜止激光測量中導出，適用于基本評估。這與應用的能量密度參數(shù)對于精確量化熔池深度和熔化模式具有局限性的事實一致。這可能歸因于整個空間中的蒸汽壓形態(tài)的大變化，這可以通過多個角度相關(guān)的吸收事件顯著改變激光吸收。這反過來通過馬蘭戈尼對流、反沖壓力和蒸汽沖擊影響熔體流動流體動力學，并最終影響熔體池形態(tài)。

在實踐中，掃描激光束下的熔化模式可以根據(jù)熔池的橫截面和蒸汽凹陷來定義。這可以通過使用高速同步加速器x射線成像數(shù)據(jù)進行模型校準和驗證后的3D多物理模擬來輔助，這類似于靜止光束下的模擬。在掃描過程中，由于局部材料或激光條件的變化，例如激光束前的樣品預熱或表面氧化或粉末運動和表面上方的陰影。

四、知識和機會的差距

A、 新興知識

這里總結(jié)了基于過程的定義的幾個關(guān)鍵點。首先，在所有三種模式下都有可能形成蒸汽凹陷，并且在傳導模式之外，蒸汽凹陷動力學比熔池動力學更為瞬態(tài)。其次，在靜止激光熔化下，對應于蒸汽凹陷和熔池轉(zhuǎn)變的兩個時間節(jié)點嚴格定義了三種熔化模式。第三，固定激光熔化中的熔化模式可以擴展到掃描情況，根據(jù)該情況，商業(yè)AM機器通常以過渡或穩(wěn)定鎖孔模式操作。然而，與使用施加的能量密度作為度量的情況一樣，由于P-V空間中的蒸汽凹陷形態(tài)和激光吸收存在較大變化，因此應謹慎。

根據(jù)積累和能量輸入方法對金屬增材制造的不同過程進行分類的流程圖。

增材制造技術(shù)通常根據(jù)所用材料的狀態(tài)、材料層結(jié)合的機制以及熔化或軟化材料的能量來源進行分類。根據(jù)累積方法和能量輸入分類的金屬增材制造工藝如上圖所示。根據(jù)此流程圖，金屬增材制造中使用的兩種主要技術(shù)類別是功率床融合（PBF）和定向能量沉積（DED）。PBF中使用的主要電源是激光器和電子束，相應的方法通常分別稱為選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）。這兩種方法都經(jīng)常用于金屬AM。

B、 超越x射線成像

Operando高速同步加速器x射線成像是探測激光聚變過程的寶貴工具。除了直接測量之外，熔池和蒸汽凹陷形態(tài)演變可以通過（如圖6所示）高速x射線成像和其他原位和實時監(jiān)測技術(shù)的組合轉(zhuǎn)化為其他信號形式，如動態(tài)激光吸收、蒸汽羽流動力學和模式定義的超聲信號。例如積分球輻射測量、紋影成像和浸沒超聲。在過程中x射線成像不可行的情況下，這些可能是過程監(jiān)控的可行和有效方法。為了便于翻譯（也在原位和異地數(shù)據(jù)之間），基于物理的建模、大數(shù)據(jù)方法和適當?shù)膶嶒炘O(shè)計是關(guān)鍵。

圖6 operando同步x射線成像和其他高速現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的集成。通過多技術(shù)融合和多信號轉(zhuǎn)換，同步x射線的新知識可以轉(zhuǎn)化為工業(yè)實踐。

溫度等值線以及離開金屬相自由表面的反射激光軌跡。

一旦形成匙孔，與激光接觸的金屬相的暴露表面積將急劇增加。因此，更多的能量將被金屬相吸收，從而在很大程度上促進傳熱。正如Martin等人所報道的那樣，凹陷前部的反射將導致其后部的汽化。在穩(wěn)定條件下，暴露的表面比鎖孔條件下的表面小得多。由于光線夾帶，具有復雜形狀（如形成空腔或鑰匙孔向后傾斜）的金屬相的較大暴露表面積有可能吸收更多的反射。根據(jù)上圖，在淺深度條件下，大部分光線會離開金屬的自由表面，反射很少，因為凹陷區(qū)很淺，反射光線的路上沒有障礙物。

C 穩(wěn)定鎖孔AM

這些基于過程的定義為AMcommunity提供了新的指導方針。一個直接的結(jié)論是，在金屬的激光粉末床熔合AM中，穩(wěn)定的鎖孔區(qū)域是實現(xiàn)全密度構(gòu)建的理想?yún)^(qū)域。過渡區(qū)比穩(wěn)定鎖孔區(qū)小得多。它們共同勾勒出金屬材料的工藝窗口，如圖7(a)所示。在窗口外，P-V空間被幾個可能造成微觀結(jié)構(gòu)缺陷或尺寸不精確的區(qū)域所占據(jù)，其中包括小孔孔隙度、球化和未融合孔隙度。為了充分利用這一窗口，我們需要確認并了解其邊界。在實踐中，當工藝工程師努力提高構(gòu)建速率或構(gòu)建條件的局部變化(如激光光斑大小、掃描速度、空氣流量和粉末床表面)造成與規(guī)定的P-V參數(shù)的瞬時偏差時，通常會接近這些邊界。換句話說，有必要揭示這些缺陷的根本根源。例如，在圖7(b)和圖7(c) 中，通過高速同步x射線成像發(fā)現(xiàn)鎖眼孔隙度邊界光滑且清晰。只有當靠近鎖孔尖端的氣孔從臨界鎖孔不穩(wěn)定性釋放的聲波(高振幅、短持續(xù)時間、定向深度)中獲得足夠的動能時(類似于藝術(shù)品中的雙掌打擊)，它們才能迅速從鎖孔周圍的大熱梯度場中逃逸，并被凝固前沿捕獲為缺陷。這種聲波驅(qū)動的機制與粘滯阻力驅(qū)動的機制不同，后者需要由縮回鎖孔產(chǎn)生足夠的等待時間。

圖7金屬激光粉末床熔合工藝圖示意圖。

D、 過程計量學

在金屬的激光熔合AM中，迫切需要改進工藝計量。其中與精確確定熔化模式最相關(guān)的是激光功率、光束輪廓和掃描速度。它們共同決定了在構(gòu)建過程中任何位置提供的能量。對于激光功率，通常不確定度在3%-5%范圍內(nèi)的傳統(tǒng)熱功率計是現(xiàn)成的。然而，這些不確定性在文獻中并不經(jīng)常報道，并且激光功率被假定為用戶要求的功率。先前提供的基于物理的定義指出了激光輻照度在確定熔化模式中的重要性。為了準確確定可轉(zhuǎn)移過程窗口，我們建議直接測量激光功率，并對每項將功率視為變量的研究說明不確定性。

如模擬所示，光束輪廓對于確定熔池結(jié)果也很重要。在文獻中，“斑點大小”這一通用術(shù)語通常被簡單地表述。只有當光束的幾何輪廓已知（具有一定的不確定性）且其定義明確時，才可以使用這樣的單個參數(shù)。目前有幾種商業(yè)系統(tǒng)可用于測量光束輪廓，但沒有建立絕對可追溯性的方法，如激光功率，這提供了一個計量機會，從而可以量化和解決商業(yè)光束輪廓儀之間的差異。

最后，掃描速度在確定激光掃描期間的停留時間以及由此傳遞的能量方面起著同樣重要的作用。盡管如此，人們很少關(guān)注其測量或準確性。

孔隙形成過程中的溫度等值線和速度場。

由于逐層制造策略、局部加熱和快速冷卻以及消耗粉末材料，增材制造金屬中經(jīng)常發(fā)現(xiàn) LOF 區(qū)域、氣體孔隙率、未熔化顆粒和光滑刻面。這些缺陷通常是在疲勞斷裂表面上檢測到的疲勞失效的來源。缺陷通常是由于金屬增材制造過程中能量不足（LOF缺陷）或能量過多（孔隙率）而產(chǎn)生的。在金屬AM中也觀察到α相缺陷和顯微鏡下光滑的刻面，據(jù)報道是裂紋萌生的來源。缺陷的類型、位置、形狀、尺寸、方向和密度等特征受工藝參數(shù)的影響很大。

五、結(jié)論
在這篇綜述中，我們描述了激光熔化的一般物理過程。正是由極端熱條件引起的許多物理機制的復雜相互作用，決定了蒸汽凹陷和熔池形態(tài)，并定義了熔化模式。熔化模式隨著溫度的升高而變化，從傳導轉(zhuǎn)變?yōu)樾】住?br />
根據(jù)形態(tài)測量方法，熔化模式的定義可以是死后的或基于過程的。基于尸檢的定義在概念上是合理的，但由于省略了蒸汽抑制的細節(jié)，它們是主觀的、模糊的和令人困惑的。相比之下，基于過程的定義更清晰、更完整，其中熔體池和蒸汽凹陷的形態(tài)都是直接從操作高速x射線圖像中測量的。它們解決了傳統(tǒng)定義的傳導模式中產(chǎn)生的鎖孔孔的謎團。

熔化模式定義的修訂提出了新的指導方針和方向。首先，在金屬的激光聚變AM中，激光與物質(zhì)的相互作用主要是與蒸汽腔。除傳導模式外，蒸汽壓差比傳統(tǒng)預期的更為動態(tài)和瞬態(tài)。其次，穩(wěn)定的小孔激光熔化為可持續(xù)和穩(wěn)健的增材制造提供了一種方法。P-V空間中一些常見缺陷產(chǎn)生區(qū)的邊界和起源仍然缺乏。此外，多物理模擬、從形態(tài)數(shù)據(jù)到其他可行和互補測量信號的信號轉(zhuǎn)換以及改進的過程計量正被用于開發(fā)跨平臺和規(guī)模的可轉(zhuǎn)換過程窗口。

縱向視圖顯示了自由表面以及以下情況的孔隙率分布。

在匙孔概念首次提出幾十年后，正是操作高速x射線成像技術(shù)為激光熔化的物理過程打開了大門。隨著技術(shù)的進步，有可能以更高的空間、時間和能量分辨率重新審視長期存在的問題，并繼續(xù)更新或修正現(xiàn)有的理論和模型。我們希望這篇綜述不僅能加深對激光熔化模式的理解，而且能啟發(fā)人們對金屬激光熔合增材制造的前沿研究和發(fā)展的思考。

來源：Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing, Reviews of Modern Physics, 10.1103/RevModPhys.94.045002

參考文獻：Aboulkhair, N. T., N. M. Everitt, I. Ashcroft, and C. Tuck, 2014,“Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting,” Addit. Manuf. 1–4, 77–86.;

Aboulkhair,N. T.,  I.  Maskery, C.  Tuck,  I. Ashcroft,  and  N. M. Everitt,  2016, “On  the  formation of  AlSi10Mg  single tracks and layers in  selective laser melting: Microstructure  and nano- mechanical properties,” J. Mater. Process. Technol. 230, 88–98.