金屬粉末床熔合增材制造中的激光熔化模式（1）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，在這篇綜述中，區(qū)分了基于過(guò)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(qiáng)調(diào)了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對(duì)激光能量的吸收。本文為第一部分。

在金屬激光粉末床熔合增材制造中，極端高溫條件會(huì)產(chǎn)生許多高度動(dòng)態(tài)的物理現(xiàn)象，如蒸發(fā)和反沖、馬朗戈尼對(duì)流、突出和鎖孔不穩(wěn)定性等。然而，總的來(lái)說(shuō)，整套現(xiàn)象對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了，而在現(xiàn)實(shí)中，熔化模式被用作打印的指導(dǎo)方針。當(dāng)超過(guò)沸點(diǎn)的局部材料溫度升高時(shí)，該模式可由傳導(dǎo)模式變?yōu)殒i孔模式。這些模式指定忽略了激光-物質(zhì)相互作用的細(xì)節(jié)，但在許多情況下足以確定近似的微結(jié)構(gòu)，從而確定構(gòu)建的屬性。到目前為止，由于熔體池和汽壓形態(tài)測(cè)量的歷史局限性，還沒(méi)有達(dá)成一致的、共同的和連貫的定義。在這篇綜述中，區(qū)分了基于過(guò)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(qiáng)調(diào)了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對(duì)激光能量的吸收。最近的研究強(qiáng)烈表明，穩(wěn)定的鎖孔激光熔煉可以實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)和穩(wěn)健的增材制造。實(shí)現(xiàn)這一場(chǎng)景需要開(kāi)發(fā)多物理模型，信號(hào)從形態(tài)學(xué)轉(zhuǎn)換為其他可行信號(hào)，以及跨平臺(tái)和尺度的過(guò)程計(jì)量。

1 介紹
金屬增材制造（AM），通常稱(chēng)為3D打印，是金屬零件快速成型的工業(yè)應(yīng)用。它最初起源于焊接方法和粉末技術(shù)的聯(lián)盟。直接將粉末沉積到激光熔池中產(chǎn)生了直接激光制造和激光工程網(wǎng)成形技術(shù)，雖然有效，但缺乏在無(wú)后加工的情況下通常有用的分辨率，并且沒(méi)有低沉積速率的幫助。然而，一旦原始專(zhuān)利到期，粉末床系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)很快就表明，良好的分辨率和合理的構(gòu)建速度使得能夠直接制造復(fù)雜的幾何形狀和幾乎完全致密的零件。正是這一發(fā)展將3D打印從快速原型的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K用途產(chǎn)品的實(shí)際增材制造。

基于激光的金屬粉末床熔融（LPBF）是一種增材制造（AM）工藝，其中金屬粉末通過(guò)掃描粉末床上的高功率激光來(lái)熔化。盡管許多人認(rèn)為它是一種相對(duì)成熟的增材制造技術(shù)，但仍然缺乏對(duì)基本過(guò)程的理解。這意味著工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)和組件設(shè)計(jì)在很大程度上是通過(guò)迭代和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。雖然這種方法有效，但它通常緩慢且昂貴。對(duì)流程基礎(chǔ)知識(shí)的更深入理解可提供更多信息來(lái)加速開(kāi)發(fā)，而不必依賴(lài)最佳猜測(cè)方法。

該圖顯示了商用LPBF機(jī)器的光學(xué)布局和修改，以允許熔池的同軸成像。

在粉末床熔融構(gòu)建過(guò)程中對(duì)時(shí)間和空間分辨的熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)量以前沒(méi)有報(bào)道過(guò)。熔池體積小，在大型粉末床上快速移動(dòng)，持續(xù)時(shí)間短，因此測(cè)量問(wèn)題具有挑戰(zhàn)性。確定熔池溫度場(chǎng)有助于確定可能形成孔隙的區(qū)域，并有助于優(yōu)化掃描路徑。凝固過(guò)程中的冷卻速率和溫度梯度也可以測(cè)量并與局部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展相關(guān)聯(lián)。測(cè)量也可以構(gòu)成在線質(zhì)量控制系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)具有組件中每個(gè)位置的熱歷史。

到目前為止，對(duì)溫度曲線最詳細(xì)的了解來(lái)自計(jì)算建模工作。Khairallah等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)LPBF的多物理場(chǎng)模型，該模型結(jié)合了光線追蹤，表面張力，馬蘭戈尼對(duì)流和蒸發(fā)反沖壓力。該模型突出顯示了由于反沖壓力、熔池內(nèi)質(zhì)量傳遞的重要性以及激光關(guān)閉時(shí)孔隙率如何形成而在激光下形成的凹陷。盡管使用熔池深度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)校準(zhǔn)模型的吸收率，并且已經(jīng)進(jìn)行了激光相互作用區(qū)的高速成像，但沒(méi)有報(bào)告預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

單個(gè)激光脈沖沿艙口掃描期間的表面溫度序列。

原位過(guò)程監(jiān)測(cè)工作一直是最近的一些綜述的主題，溫度測(cè)量是突出的。熔池輻射發(fā)射的同軸測(cè)量已使用光電二極管和機(jī)器視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行測(cè)量。雖然這些測(cè)量為質(zhì)量和過(guò)程控制目的提供了有用的過(guò)程特征，但它們沒(méi)有針對(duì)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，并且對(duì)底層物理過(guò)程的洞察力很少。Criales等人使用離軸紅外相機(jī)在鎳合金的單次掃描軌跡中測(cè)量溫度，但是依賴(lài)于假定的單發(fā)射率值，這意味著計(jì)算的溫度值可能存在很大的誤差。寬視場(chǎng)紅外熱像儀也被用于監(jiān)測(cè)電子束熔化（EBM）過(guò)程中整個(gè)層的溫度。需要仔細(xì)校準(zhǔn)局部發(fā)射率值，并且該系統(tǒng)的分辨率和速度不足以捕獲熔池溫度瞬變。

顯示掃描層上第一條陰影線期間表面溫度變化的選定幀。

LPBF實(shí)際上是小規(guī)模激光焊接的延伸，但這意味著它受到許多相同的限制。例如，由于凝固過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)和大量殘余應(yīng)力，LPBF零件容易發(fā)生熱裂紋。這在很大程度上限制了LPBF可應(yīng)用的成分范圍，即主要僅適用于可焊接合金。同時(shí)，LPBF制備的微觀結(jié)構(gòu)的許多方面與傳統(tǒng)制備的顯微結(jié)構(gòu)有很大不同，具有諸如細(xì)胞結(jié)構(gòu)、高位錯(cuò)含量、過(guò)飽和、納米沉淀、非平衡相、夾雜物和不規(guī)則晶粒結(jié)構(gòu)等特征。其中一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是有益的，而另一些結(jié)構(gòu)可能會(huì)降低性能。對(duì)于某些合金，LPBF零件的總密度通常很高（理論密度的99.5%），但復(fù)雜的激光和粉末條件可能會(huì)產(chǎn)生異常，偶爾還會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，如可變?nèi)鄢�、孔隙率和裂縫。這是目前阻礙LPBF在某些行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要因素之一。為了制造無(wú)缺陷和微觀結(jié)構(gòu)可控的零件，我們需要更全面地了解激光與物質(zhì)之間的相互作用以及激光熔化的模式。

在這篇綜述中，當(dāng)提到熔池內(nèi)的蒸汽主導(dǎo)型腔時(shí)，我們使用了以下術(shù)語(yǔ)。一般來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“蒸汽凹陷”適用于由液體表面汽化產(chǎn)生的反沖動(dòng)量引起的任何形狀的空腔。它更具普遍性和包容性。術(shù)語(yǔ)“鎖孔”是蒸汽壓的一種亞型。本綜述如下。首先描述了激光加熱的一般物理過(guò)程。在總結(jié)了復(fù)雜性之后，回顧了兩個(gè)關(guān)鍵的耦合現(xiàn)象：

（1）熔化和蒸發(fā)以及（2）突出和鎖孔不穩(wěn)定性。這些物理現(xiàn)象推動(dòng)了熔池的形態(tài)演化（有或沒(méi)有蒸汽腔），是熔融模式定義的基礎(chǔ)。

2、激光熔化的一般物理過(guò)程

A、復(fù)雜性
金屬的激光熔化是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的物理過(guò)程。如圖1所示，這可能涉及物質(zhì)的所有四種基本狀態(tài)：固體、液體、蒸汽和等離子體。它不僅包括熔化，還包括汽化和反沖、馬蘭戈尼對(duì)流、蒸汽沖擊、多次反射和吸收、熔池振蕩、突出和小孔不穩(wěn)定性等。

圖1激光熔化的一般物理過(guò)程。隨著溫度的快速升高，固體（此處為粉末床樣品）通過(guò)熔化、汽化和電離轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w、氣體和等離子體。在此過(guò)程中，熔池和蒸汽凹陷形成并發(fā)展，由于增強(qiáng)的激光吸收和有限的熱傳遞，其橫截面的深度與寬度縱橫比繼續(xù)上升。在左上角的示意圖中，熔池內(nèi)蒸汽凹陷的大致位置用黃色虛線圈出，而紅色箭頭表示激光掃描方向。

正是快速加熱導(dǎo)致的極端熱條件造就了這些高度動(dòng)態(tài)的物理現(xiàn)象。通常，加熱和冷卻速率約為103− 108 K/s，熔池內(nèi)的峰值熱梯度約為106− 108 K/m，并且蒸汽凹陷壁上的平均溫度可以比金屬的沸點(diǎn)高數(shù)百開(kāi)爾文。

B、 熔化和汽化
1.在原子尺度上

高功率連續(xù)波或短持續(xù)時(shí)間（長(zhǎng)于納秒）脈沖激光與金屬之間的相互作用可以根據(jù)光子吸收和聲子發(fā)射之間的平衡來(lái)考慮。這一過(guò)程被稱(chēng)為光熱過(guò)程，因?yàn)槲�收的能量在該時(shí)間尺度上直接轉(zhuǎn)化為熱（即停留時(shí)間或脈沖寬度比電子聲子或甚至聲子弛豫時(shí)間長(zhǎng)）。對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，通常是金屬鍵通過(guò)價(jià)電子和電離核之間的靜電吸引連接原子。

熔池的視野經(jīng)常被噴射的顆粒和熔池羽流遮擋。噴射的顆粒在圖像中很容易識(shí)別，羽流僅在熔池外可見(jiàn)。羽流也可能在熔池的正上方，因此形成光路的一部分。羽流將衰減圖像傳感器接收到的光量。如果這種衰減在兩個(gè)波長(zhǎng)下相同，則比率和溫度測(cè)量將不受影響。如果一個(gè)波長(zhǎng)處的衰減更強(qiáng)，則會(huì)在溫度測(cè)量中引入誤差。

顯示掃描懸垂特征期間表面溫度變化的選定幀。

熔池不是平坦的，因此入射角會(huì)有所不同。在激光相互作用區(qū)的蒸汽壓力引起的凹陷中尤其如此。如果兩個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)射率保持相等，即使表面不是朗伯特表面，也不會(huì)在溫度測(cè)量中引起誤差。在凹陷中，從熔池內(nèi)發(fā)出的光的反射可以增加測(cè)量的強(qiáng)度。如果來(lái)自一個(gè)溫度的表面的光在另一個(gè)溫度下從表面反射，則強(qiáng)度比和計(jì)算溫度將引入誤差。

在平衡條件下，將相從固體變?yōu)橐后w和從液體變?yōu)檎羝�所需的焓分別為聚變潛熱和汽化潛熱。在給定壓力下，相應(yīng)的熔化和沸騰溫度或熔化和汽化的熵是恒定的。然而，由于高功率激光的快速加熱，實(shí)際相變溫度或熵值偏離了這些特征點(diǎn)或平衡極限。例如，激光束正下方的液態(tài)金屬通常處于過(guò)熱狀態(tài)，需要額外的能量來(lái)打破鍵并釋放原子。對(duì)于多相合金來(lái)說(shuō)，這種情況更加復(fù)雜，其中由于各種合金元素之間的鍵合強(qiáng)度不同，熔化和汽化可能高度不均勻。

2.在微觀尺度上

在固定的激光束照射下，金屬板或粉末床被局部加熱。當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，金屬形成熔池。熔體池最初較小且較淺，見(jiàn)圖5（a），熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到周?chē)�金屬。隨著時(shí)間的推移，池的體積和表面溫度都會(huì)增加，因?yàn)檫@一階段的激光加熱超過(guò)了熱擴(kuò)散。當(dāng)溫度高于沸點(diǎn)時(shí)，發(fā)生局部沸騰。在表面層的自由側(cè)，金屬蒸氣主要沿著局部法線方向并朝向自由空間噴射。另一方面，反沖動(dòng)量將液體推向樣品表面下方，與蒸汽噴射方向相反。蒸汽流量和反沖壓力取決于相對(duì)于沸點(diǎn)的局部過(guò)熱。隨著腔的生長(zhǎng)，熔池通常偏離其最初的半圓形形態(tài)，可能呈現(xiàn)深錐形形狀[圖5（c）]或頂部為碗狀底部為尖峰的雙峰形[圖4（a2）]。在熔池內(nèi)部，主要圍繞蒸汽凹陷壁的大的熱梯度促進(jìn)了對(duì)流質(zhì)量和熱傳遞。傳熱雖然有限，但限制了熔池的生長(zhǎng)。

圖4激光熔化模式由熔化熔池的事后橫截面定義。

圖5 通過(guò)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。

當(dāng)激光束被振鏡掃描時(shí)，橫截面中的熔池形態(tài)幾乎保持對(duì)稱(chēng)。然而，在縱向橫截面上，對(duì)稱(chēng)性被打破，因?yàn)橛境氐哪┒丝偸怯幸粭l尾巴。固體金屬被光束前方前進(jìn)的熔體吸收，熔體在光束后方凝固。在樣品表面的穩(wěn)態(tài)激光掃描下，熔化和凝固速率均等于掃描速度。在低施加能量密度（即功率除以?huà)呙杷俣龋┫拢�熔池較小、較淺且更圓。隨著能量密度的增加，熔池越來(lái)越深，表面開(kāi)始汽化和變形，從而在縱向橫截面上形成具有不對(duì)稱(chēng)形態(tài)的蒸汽凹陷。蒸汽凹陷的前壁是傾斜的，其角度可以由激光的鉆速和掃描速度確定。通常，激光束主要撞擊前壁，沿其法線和掃描方向產(chǎn)生過(guò)熱和強(qiáng)烈的蒸汽噴射。然而，在高應(yīng)用能量密度（如高激光功率和低掃描速度的情況）下，深而窄的蒸汽腔會(huì)引起光的多次向下反射，導(dǎo)致其底部的最高溫度。這導(dǎo)致向上的蒸汽噴射，這可能類(lèi)似于固定的激光束情況。

C、 突出和鎖孔不穩(wěn)定性

在靜止和掃描情況下，當(dāng)激光加熱通過(guò)增加激光束的功率或停留時(shí)間（相互作用時(shí)間或激光光斑大小除以?huà)呙杷俣龋┒�增�?qiáng)時(shí)，產(chǎn)生的深鎖孔可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。結(jié)果主要有兩方面，如圖2（a）所示。在樣品表面上方，蒸汽噴射表現(xiàn)出混沌行為，可能觀察到一些極快的飛濺。在樣品內(nèi)部，從鎖孔底部尖端產(chǎn)生的氣泡可以被聲波或粘性阻力加速，從而可能被前進(jìn)的固體化前沿捕獲為孔隙缺陷。根據(jù)加工環(huán)境和粉末條件，鎖孔在完全冷凝后為真空或充氣。如圖2（b）和圖2（c），在掃描連續(xù)波激光束下，前鎖孔邊緣前方的固相被加熱、熔化和汽化，形成小的蒸汽凹陷和圓頂狀突起。

圖2 不穩(wěn)定鎖孔模式熔化中的熔池、鎖孔和常見(jiàn)缺陷。

如圖2（b）和圖2（c），在掃描連續(xù)波激光束下，前鎖孔邊緣前方的固相被加熱、熔化和汽化，形成小的蒸汽凹陷和圓頂狀突起。

PBF工藝中獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)是由局部的高熱梯度和凝固過(guò)程中的快速冷卻速率驅(qū)動(dòng)的。上圖顯示了從熔池頭部到層中不同位置的尾部的溫度與距離曲線。當(dāng)接近熔化溫度時(shí)，該溫度梯度下降到約5 K/μm。懸垂掃描（e）顯示出類(lèi)似的特征，但由于層下未固結(jié)粉末的導(dǎo)熱率較低，因此峰值熱梯度較低，為10 K/μm。熔池尾部大部分處于均勻溫度，大約是Ti6Al4V的熔化溫度。這是由于凝固過(guò)程中的熔化潛熱。凝固后溫度迅速下降，并且由于本實(shí)驗(yàn)中使用的相機(jī)曝光時(shí)間短，溫度不再可見(jiàn)。在外緣掃描期間，熔池尾部的最短長(zhǎng)度為400 μm，而在孵化掃描期間為700 μm。在1000 μm的懸垂掃描過(guò)程中，尾部長(zhǎng)度明顯更長(zhǎng)。該長(zhǎng)度可能低估了懸垂掃描期間的長(zhǎng)度，因?yàn)樵搾呙杈�的總長(zhǎng)度約為1000μm，因此對(duì)尾部長(zhǎng)度進(jìn)行了限制。

D、 限制

激光熔化中的極端熱條件產(chǎn)生了許多高度動(dòng)態(tài)的物理現(xiàn)象。徹底了解它們對(duì)于裁剪微觀結(jié)構(gòu)和消除缺陷的能力至關(guān)重要。然而，它們過(guò)于詳細(xì)，對(duì)于常規(guī)流程開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜。實(shí)際上，它們的集體效應(yīng)，即熔池和蒸汽凹陷形態(tài)，被用作指導(dǎo)原則。正如我們現(xiàn)在總結(jié)的那樣，它們定義了熔化模式。

三、事后和過(guò)程為基礎(chǔ)的熔化模式

如圖3（a）所示，熔化模式橋接了激光-物質(zhì)相互作用和微觀結(jié)構(gòu)以及缺陷。他們忽略了物理細(xì)節(jié)，只關(guān)注（熔融）熔池的宏觀外觀（可能還有蒸汽凹陷）。根據(jù)測(cè)量方法的不同，模式可以是postmortem后分析的，也可以是基于過(guò)程的。對(duì)于基于postmortem- based的定義，熔池的形態(tài)來(lái)源于postmortem橫截面。在基于過(guò)程的版本中，直接從原位和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（包括高速x射線圖像）測(cè)量熔池和蒸汽凹陷的形態(tài)。隨著溫度的升高，（熔融）熔池的縱橫比（以及可能的蒸汽凹陷）都會(huì)增加。因此，熔化模式從傳導(dǎo)（通過(guò)過(guò)渡）轉(zhuǎn)變?yōu)殒i孔。

圖3 激光熔化模式的基于Postmortem和基于過(guò)程的定義。

A、Postmortem-based定義

理論上，特征溫度點(diǎn)表現(xiàn)為分離熔化模式的理想閾值，如圖3（b）和3（c）所示。最初，只使用沸點(diǎn)（Tb）或低于沸點(diǎn)的點(diǎn)（Tc）[圖3（b）]。在Tb或Tc以下，熔融處于傳導(dǎo)模式，傳導(dǎo)傳熱在很大程度上控制著熔池幾何形狀，而高于該點(diǎn)時(shí)，它處于鎖孔模式，熔池形態(tài)主要由對(duì)流傳熱控制。這種直覺(jué)捕捉到了熔池的一些特征。然而，汽化的作用（至少最初）被大大夸大了。沸騰時(shí)，汽化產(chǎn)生的反沖壓力實(shí)際上不足以驅(qū)動(dòng)蒸汽凹陷或熔池的快速增長(zhǎng)。隨后引入了第二個(gè)特征溫度Ts，這是反沖壓力開(kāi)始克服表面張力壓力的點(diǎn)[圖3（c）]。也就是說(shuō)，在兩種模式之間存在一種過(guò)渡模式，其中傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱相互競(jìng)爭(zhēng)。我們指出，在傳導(dǎo)模式下不能忽略熱對(duì)流，以準(zhǔn)確描述熔池形態(tài)。

（左）流程結(jié)束時(shí)計(jì)算域的完整 3D 視圖。（右）由彩色邊框表示的預(yù)測(cè)頂部熔池的再凝固表面與實(shí)驗(yàn)之間的比較。

B.傳統(tǒng)定義

在實(shí)踐中，這兩種或三種熔化模式（傳導(dǎo)、過(guò)渡和鎖孔）通常根據(jù)熔融熔池的Postmortem橫截面來(lái)定義。例如，在圖4（a）中，當(dāng)它是淺的、半圓形的并且具有低縱橫比（即，地下深度與寬度）時(shí)，熔化被認(rèn)為處于傳導(dǎo)模式；當(dāng)它是深的和圓錐形的并且具有高縱橫比時(shí)，熔化處于鎖孔模式。在過(guò)渡模式中，橫截面介于兩者之間，并可能將這兩種形狀結(jié)合起來(lái)。圖4（b）顯示了熔化模式與掃描速度之間的關(guān)系。在具有恒定功率和光斑大小的掃描激光束下，隨著速度的增加，模式從小孔轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)。類(lèi)似地，圖4（c）描述了固定激光束的熔化模式轉(zhuǎn)變。對(duì)于相同的光斑尺寸和相互作用時(shí)間，隨著激光輻照度（也稱(chēng)為功率密度，激光功率除以面積）的增加，過(guò)渡模式中橫截面的縱橫比以平臺(tái)為特征。

圖4激光熔化模式由熔化熔池的事后橫截面定義。

來(lái)源：Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing, Reviews of Modern Physics, 10.1103/RevModPhys.94.045002

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