激光粉末床熔融增材制造中對氬氣保護(hù)氣體和蒸汽動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過程監(jiān)測和模擬

來源： AM home 增材制造之家

激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造 （AM） 能夠制造出具有精確尺寸控制、設(shè)計(jì)自由度和材料特性的零件，這些零件與使用傳統(tǒng)制造方法制造的零件相似或更好。增材制造質(zhì)量控制取決于金屬增材制造過程中激光與物質(zhì)相互作用的基本原理，使用L-PBF來開發(fā)材料的潛在用途和過程控制。在這項(xiàng)工作中，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算利用氣室中的熱流體動(dòng)力學(xué)來闡明L-PBF中氣相、液相和固相之間的相互作用。結(jié)果表明，不同噴嘴在不同入口速度下對氬氣（Ar）保護(hù)氣流具有顯著的抑制激光-煙霧相互作用的作用，從而減少了不穩(wěn)定的金屬蒸氣流動(dòng)，增強(qiáng)了激光吸收率。通過高速可視化進(jìn)行過程監(jiān)測，通過熱-流體流動(dòng)模擬，了解由于汽化和隨后的激光-煙霧相互作用而產(chǎn)生的同時(shí)產(chǎn)生的氣體羽流動(dòng)力學(xué)�？梢员苊馀c不需要的缺陷（如缺乏熔合）相關(guān)的不利工藝動(dòng)態(tài)，以改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)并增強(qiáng)工藝穩(wěn)定性。

增材制造（AM）是一種新興的數(shù)字制造技術(shù)，可以制造具有高度自由度的復(fù)雜零件。特別是，金屬增材制造被認(rèn)為在制造航空航天和汽車應(yīng)用的耐高溫合金零件方面具有廣闊的前景，具有精確的成分和過程控制。在腔室尺度或熔池尺度尋求優(yōu)化的工藝條件，以確保良好的產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)于熔池結(jié)垢現(xiàn)象的綜合綜述見文獻(xiàn)。

金屬增材制造涉及各種界面現(xiàn)象和物理過程，如激光加熱、部分或全部粉末熔化、熔池中的熱流體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)、汽化、熱傳遞到周圍層，最后快速凝固。從熱熔池中，可以產(chǎn)生蒸發(fā)的氣體并誘導(dǎo)出向上的“羽流”（蒸汽），其中可能含有蒸汽冷凝產(chǎn)生的“煙霧”（固體納米顆粒）。由于蒸發(fā)的氣體流動(dòng)，熱飛濺顆粒（部分熔體顆粒）也可能從熔池中噴出，附近的冷粉末也可能被夾帶。這些現(xiàn)象使金屬增材制造變得復(fù)雜，最終產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于工藝條件和加工窗口。

本研究旨在利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，直接揭示腔室規(guī)模增材制造中激光-煙霧和激光-飛濺相互作用的影響，并為更好的工藝條件設(shè)置提供見解。圖1示意圖為本研究的研究范圍。受工業(yè)質(zhì)量控制問題的啟發(fā)，對氣室建模進(jìn)行了過程監(jiān)測，并通過直接模擬闡明了詳細(xì)的激光-羽流/煙霧相互作用機(jī)制。在模擬中，激光跟蹤用于由于煙霧和飛濺顆粒引起的吸收和散射。識別了蒸汽/飛濺分布，并研究了掃描角度差對激光吸熱的影響。據(jù)我們所知，首先通過直接解決蒸汽/飛濺分布問題并跟蹤增材制造室中的激光相互作用來研究工藝質(zhì)量。事實(shí)上，Bitharas 等人指出，激光束經(jīng)常與噴射的蒸氣和冷凝水相互作用，但這種效應(yīng)大多被忽視，將效應(yīng)納入數(shù)值模型可以大大提高預(yù)測能力，從而可以先驗(yàn)地識別過程質(zhì)量。在我們的一系列實(shí)驗(yàn)中，通過粒子圖像測速（PIV）獲得了氣體速度場，通過高速相機(jī)成像獲得了飛濺軌跡，通過熱成像獲得了熔池溫度，通過光學(xué)斷層掃描（OT）成像獲得了吸熱以及制造后的最終產(chǎn)品質(zhì)量等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集與CFD模擬結(jié)合使用。本研究還將為進(jìn)一步理解羽流蒸氣中氣相、凝聚納米顆粒固相和激光以復(fù)雜方式相互作用的現(xiàn)象提供見解。

本研究中使用的加工機(jī)器是用于L-PBF的M290（EOS GmbH）。整個(gè)處理室的圖片如圖2a所示。加工臺尺寸為250 mm×250 mm。在加工臺之前，安裝一個(gè)噴嘴來控制保護(hù)氣體流量。圖 2a 顯示了“普通”噴嘴，其中連接了許多用于進(jìn)入的保護(hù)氣體 （Ar） 的孔，以及一個(gè)新的“狹縫”噴嘴，其中入口形狀更改為三個(gè)水平狹縫。新型狹縫噴嘴的概念是減少建筑板表面與噴嘴出口下邊緣之間的間隙，抑制康達(dá)效應(yīng)（保護(hù)氣體流向建筑板的偏轉(zhuǎn)）。如果間隙太小，保護(hù)氣體往往會(huì)將粉末從建筑板上吹走。因此，平衡很重要，這里的間隙高度小至 2 mm。事實(shí)證明，新的噴嘴設(shè)計(jì)比普通噴嘴具有更好的性能，詳見 4.1.1 后面的內(nèi)容。上部前部的方形噴嘴（圖2a中的上部噴嘴）用于抑制飛揚(yáng)的粉末和煙霧，以防止污染激光保護(hù)玻璃。激光從天花板部分射出，射到加工臺上。當(dāng)激光加工進(jìn)行時(shí)，送粉器（目前在最右邊）位于最左邊。這里使用的材料是EOS GmbH（德國）的鎳基高溫合金IN718。

Results(激光-煙霧和激光-飛濺相互作用)

加工位置的影響首先，考察了加工位置的影響。該小截面中的掃描方向平行于保護(hù)氣流 （θ =0 度）。圖 15 顯示了兩個(gè)噴嘴的激光能量衰減效應(yīng)。在蒸氣云圖像中，蒸氣云由蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.25（淺綠色）和 0.5（橙色）的兩個(gè)等值面繪制。插件顯示激光強(qiáng)度 I/I0和蒸氣摩爾分?jǐn)?shù) X水汽以及激光路徑。路徑距離是從激光原點(diǎn)開始測量的。衰減與時(shí)間有關(guān)，通常，在靠近噴嘴的位置（位置 A）處衰減較大，而對于正常噴嘴，衰減較大。還觀察到，當(dāng)掃描方向反轉(zhuǎn)時(shí)，衰減程度通常會(huì)發(fā)生變化。衰減程度由富蒸氣區(qū)域內(nèi)的激光軌跡長度決定。因此，（富蒸氣區(qū)域）的蒸氣形狀和蒸氣云內(nèi)的激光軌跡長度決定了衰減。在靠近噴嘴的位置 A 處（外殼 B1（狹縫噴嘴：藍(lán)色）和外殼 B3（正常噴嘴：綠色）），衰減較大。噴射出的蒸汽根據(jù)局部氬氣流速和掃描方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在情況 B1 中，蒸汽云的根部保持不變，因?yàn)樵诒趁鎳娮斐隹诤竺娈a(chǎn)生了一個(gè)小的慢流區(qū)域。蒸氣云的上部很快被較快的氬氣流沖走，其高度相當(dāng)小且恒定。因此，衰減不小，但掃描方向的影響不是很明顯。相反，在情況 B3（普通噴嘴）中，蒸汽云高度往往要高得多。這是由于噴嘴的氬氣層相對較慢且較薄。由于蒸氣云形狀不平坦，激光也傾斜，衰減受掃描方向的影響。當(dāng)掃描朝向下游時(shí)，富蒸氣云內(nèi)的激光軌跡較短（t=0.274 s），衰減較小。當(dāng)掃描朝向上游時(shí)，富蒸氣云內(nèi)的激光軌跡較長（t=0.285 s），衰減較大。關(guān)于噴嘴塊向后臺階處的再循環(huán)區(qū)，導(dǎo)致蒸汽停留在加工位置上，通常希望減少這種影響。這與在此處設(shè)置一個(gè)額外的噴嘴塊以消除步驟的想法一致。然而，Elkins 等人采用多孔噴嘴塊和噴嘴壁粘性阻力的缺點(diǎn)，對于多孔配置應(yīng)慎重考慮。在側(cè)面和下游位置 B（案例 B2 和 B4），相同的機(jī)制適用于蒸汽云形狀。但是在這個(gè)位置B，噴嘴塊步驟沒有影響，Ar氣體速度存在于表面附近。因此，普通噴嘴和狹縫噴嘴之間的蒸氣云形狀差異較小。盡管如此，由于保護(hù)氣體流動(dòng)相對較快，狹縫噴嘴顯示出稍微好一點(diǎn)的結(jié)果。

圖 16 顯示了案例 B1 和 B3 的蒸汽形狀和擬合曲線。除下部反流層區(qū)域外，上部高度演化遵循方程（7）的相關(guān)性，其中α = 0.45，狹縫噴嘴r=0.55和0.58，正常噴嘴r=10.6和19.8。正常噴嘴的 r 越大，是由于 Ar 流速較慢。因此，可以通過Ar流動(dòng)設(shè)計(jì)來估計(jì)高度和長度的蒸氣云尺寸。設(shè)計(jì)流場使其具有足夠的氬氣流動(dòng)量對于最大限度地減少激光-煙霧相互作用并確保制造質(zhì)量非常重要，并且可以通過使用CFD和上述相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)。

典型的飛濺軌跡如圖14所示。一旦產(chǎn)生這些飛濺顆粒，它們就會(huì)迅速遠(yuǎn)離蒸氣區(qū)域。為了產(chǎn)生由于飛濺顆粒引起的激光散射的巨大影響，經(jīng)常需要將激光束直接照射到在一定高度飛行的飛濺顆粒上，這在目前條件下并不經(jīng)常發(fā)生。因此，與激光-煙霧相互作用相比，飛濺散射的影響在熔池附近的激光射線能量衰減方面受到限制。

掃描方向的影響 現(xiàn)在很明顯，蒸氣云形狀對激光衰減有顯著影響。在這里，激光掃描方向從平行（θ =0 度）變?yōu)榇怪保é?=90 度）與保護(hù)氣流。從圖17中激光射線衰減的時(shí)間變化可以看出，衰減幅度略小，波動(dòng)小于θ=0度，特別是在近噴嘴區(qū)域。該趨勢與圖 9 中的實(shí)驗(yàn)趨勢相似。同樣，每個(gè)時(shí)刻的衰減程度由富含蒸汽的云內(nèi)激光軌跡的長度決定。橙色等值面指示的富蒸氣區(qū)域的大小在噴嘴后面的停滯再循環(huán)區(qū)（位置 A）變大，在下游位置 B 處變小，在那里水流有效地將蒸汽吹向下游。盡管如此，與平行（θ =0 度）掃描相比，即使在噴嘴附近區(qū)域，蒸汽也可以吹得更快，因?yàn)檎羝�不�?huì)在該掃描方向下沿掃描路徑連續(xù)積聚。

最后，實(shí)際的表面吸收能量，即激光衰減和表面吸收率的組合，如圖18所示，使用圖5d中的吸收率數(shù)據(jù)。吸收率的差異使病例之間略有不同，但趨勢與上圖相同。一般來說，垂直掃描（θ =90 度）和位置 B 的能量吸收更好。此外，在下游位置 B 處可以看到狹縫噴嘴的改善。

如上所述，通過適當(dāng)控制激光器沿線的蒸氣羽流/煙氣分布，氬氣流動(dòng)設(shè)計(jì)和掃描方向策略是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工的主要因素。通過考慮腔室尺度的流場和蒸汽動(dòng)力學(xué)，可以進(jìn)行這種激光相互作用分析。這種關(guān)于AM中激光軌跡與蒸氣云之間直接相關(guān)性的分析是本研究首次通過在真實(shí)的AM室中進(jìn)行模擬來分析。正確結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真可以成為定量設(shè)計(jì)增材制造室中此類流場的有力工具。

實(shí)際現(xiàn)象很復(fù)雜，特別是固體納米顆粒（煙霧）的模型在這項(xiàng)研究中仍然相當(dāng)粗糙。識別凝聚納米粒子的產(chǎn)生和可能的團(tuán)聚特征、機(jī)理以及由此產(chǎn)生的Mie/瑞利散射可能是未來提高預(yù)測精度的下一個(gè)問題。在所研究的條件下，由于主要向后拋射，激光-飛濺相互作用相對較弱。然而，飛濺物噴射特性可能因工藝條件而異。在不同條件下獲取更多數(shù)據(jù)很重要。

通過實(shí)驗(yàn)和仿真，詳細(xì)研究了保護(hù)氣流設(shè)計(jì)的影響。具體結(jié)論如下。

(1)實(shí)驗(yàn)OT信號與熔池深度相關(guān)。更強(qiáng)的OT信號意味著更少的吸收，熔池變淺，反之亦然。噴嘴配置的差異出現(xiàn)在OT信號差異中，其中新設(shè)計(jì)的狹縫噴嘴顯示出更好的穩(wěn)定結(jié)果。故意降低保護(hù)氬氣速度會(huì)使OT信號和處理質(zhì)量變差，這說明保護(hù)氣體應(yīng)足夠大。OT信號還顯示了對掃描角度的依賴性，垂直于保護(hù)氣流的掃描通常顯示出更好的結(jié)果。因此，保護(hù)氣體的設(shè)計(jì)非常重要，流量應(yīng)具有一定的大小以將蒸汽吹走。

(2)通過實(shí)驗(yàn)測量速度（保護(hù)氣體和蒸汽）、溫度和飛濺物。在目前條件下，蒸汽/飛濺物噴射主要發(fā)生在向后方向。熔池溫度與熔池尺度模擬結(jié)果吻合較好。獲得的信息被用作腔室尺度模擬的邊界條件。

(3)首次對激光-煙霧相互作用進(jìn)行了直接模擬。仿真結(jié)果表明，保護(hù)氣體設(shè)計(jì)對蒸氣云分布有較強(qiáng)的影響。為了減少激光衰減，蒸汽云必須迅速被保護(hù)氣體吹走，因?yàn)楦缓�蒸汽區(qū)域的激光軌跡距離決定了激光衰減。掃描方向也是決定蒸汽分布的一個(gè)因素。近噴嘴區(qū)域的平行掃描（θ =0 度）會(huì)導(dǎo)致激光區(qū)域的蒸汽積聚，而垂直掃描（θ =90 度）由于保護(hù)氣體的吹掃，其不利影響較小。蒸汽云的形狀可以通過速度（動(dòng)量）比來表征，因?yàn)檎羝�和保護(hù)氣體構(gòu)成了射流橫流配置。

本研究揭示了保護(hù)氣體設(shè)計(jì)的重要性。下一步，將考慮與熔池模擬相關(guān)的多尺度直接模擬，特別是包括煙霧（納米顆粒）效應(yīng)。系統(tǒng)地收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對于擴(kuò)大這種預(yù)測方法的適用性也非常重要。