金屬粉末床熔合增材制造中的激光熔化模式
時間：2023-02-07 09:38 來源：長三角G60激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
導讀：據悉，在這篇綜述中，區分了基于過程的不同熔化模式的定義與基于事后證據的定義。本文強調了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對激光能量的吸收。
在金屬激光粉末床熔合增材制造中，極端高溫條件會產生許多高度動態的物理現象，如蒸發和反沖、馬朗戈尼對流、突出和鎖孔不穩定性等。然而，總的來說，整套現象對于實際應用來說太復雜了，而在現實中，熔化模式被用作打印的指導方針。當超過沸點的局部材料溫度升高時，該模式可由傳導模式變為鎖孔模式。這些模式指定忽略了激光-物質相互作用的細節，但在許多情況下足以確定近似的微結構，從而確定構建的屬性。到目前為止，由于熔體池和汽壓形態測量的歷史局限性，還沒有達成一致的、共同的和連貫的定義。在這篇綜述中，區分了基于過程的不同熔化模式的定義與基于事后證據的定義。本文強調了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對激光能量的吸收。最近的研究強烈表明，穩定的鎖孔激光熔煉可以實現高效、可持續和穩健的增材制造。實現這一場景需要開發多物理模型，信號從形態學轉換為其他可行信號，以及跨平臺和尺度的過程計量。
1 介紹
金屬增材制造（AM），通常稱為3D打印，是金屬零件快速成型的工業應用。它最初起源于焊接方法和粉末技術的聯盟。直接將粉末沉積到激光熔池中產生了直接激光制造和激光工程網成形技術，雖然有效，但缺乏在無后加工的情況下通常有用的分辨率，并且沒有低沉積速率的幫助。然而，一旦原始專利到期，粉末床系統的開發很快就表明，良好的分辨率和合理的構建速度使得能夠直接制造復雜的幾何形狀和幾乎完全致密的零件。正是這一發展將3D打印從快速原型的狀態轉變為最終用途產品的實際增材制造。
基于激光的金屬粉末床熔融（LPBF）是一種增材制造（AM）工藝，其中金屬粉末通過掃描粉末床上的高功率激光來熔化。盡管許多人認為它是一種相對成熟的增材制造技術，但仍然缺乏對基本過程的理解。這意味著工藝參數開發和組件設計在很大程度上是通過迭代和經驗進行的。雖然這種方法有效，但它通常緩慢且昂貴。對流程基礎知識的更深入理解可提供更多信息來加速開發，而不必依賴最佳猜測方法。
在粉末床熔融構建過程中對時間和空間分辨的熔池溫度場進行原位測量以前沒有報道過。熔池體積小，在大型粉末床上快速移動，持續時間短，因此測量問題具有挑戰性。確定熔池溫度場有助于確定可能形成孔隙的區域，并有助于優化掃描路徑。凝固過程中的冷卻速率和溫度梯度也可以測量并與局部微觀結構發展相關聯。測量也可以構成在線質量控制系統的一部分，該系統具有組件中每個位置的熱歷史。
到目前為止，對溫度曲線最詳細的了解來自計算建模工作。Khairallah等人開發了一個LPBF的多物理場模型，該模型結合了光線追蹤，表面張力，馬蘭戈尼對流和蒸發反沖壓力。該模型突出顯示了由于反沖壓力、熔池內質量傳遞的重要性以及激光關閉時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驗測量來校準模型的吸收率，并且已經進行了激光相互作用區的高速成像，但沒有報告預測溫度場的實驗驗證。
原位過程監測工作一直是最近的一些綜述的主題，溫度測量是突出的。熔池輻射發射的同軸測量已使用光電二極管和機器視覺相機進行測量。雖然這些測量為質量和過程控制目的提供了有用的過程特征，但它們沒有針對溫度進行校準，并且對底層物理過程的洞察力很少。Criales等人使用離軸紅外相機在鎳合金的單次掃描軌跡中測量溫度，但是依賴于假定的單發射率值，這意味著計算的溫度值可能存在很大的誤差。寬視場紅外熱像儀也被用于監測電子束熔化（EBM）過程中整個層的溫度。需要仔細校準局部發射率值，并且該系統的分辨率和速度不足以捕獲熔池溫度瞬變。
LPBF實際上是小規模激光焊接的延伸，但這意味著它受到許多相同的限制。例如，由于凝固過程中的枝晶生長和大量殘余應力，LPBF零件容易發生熱裂紋。這在很大程度上限制了LPBF可應用的成分范圍，即主要僅適用于可焊接合金。同時，LPBF制備的微觀結構的許多方面與傳統制備的顯微結構有很大不同，具有諸如細胞結構、高位錯含量、過飽和、納米沉淀、非平衡相、夾雜物和不規則晶粒結構等特征。其中一些獨特的結構是有益的，而另一些結構可能會降低性能。對于某些合金，LPBF零件的總密度通常很高（理論密度的99.5%），但復雜的激光和粉末條件可能會產生異常，偶爾還會產生結構缺陷，如可變熔池、孔隙率和裂縫。這是目前阻礙LPBF在某些行業廣泛應用的主要因素之一。為了制造無缺陷和微觀結構可控的零件，我們需要更全面地了解激光與物質之間的相互作用以及激光熔化的模式。
在這篇綜述中，當提到熔池內的蒸汽主導型腔時，我們使用了以下術語。一般來說，術語“蒸汽凹陷”適用于由液體表面汽化產生的反沖動量引起的任何形狀的空腔。它更具普遍性和包容性。術語“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程。在總結了復雜性之后，回顧了兩個關鍵的耦合現象：
在金屬激光粉末床熔合增材制造中，極端高溫條件會產生許多高度動態的物理現象，如蒸發和反沖、馬朗戈尼對流、突出和鎖孔不穩定性等。然而，總的來說，整套現象對于實際應用來說太復雜了，而在現實中，熔化模式被用作打印的指導方針。當超過沸點的局部材料溫度升高時，該模式可由傳導模式變為鎖孔模式。這些模式指定忽略了激光-物質相互作用的細節，但在許多情況下足以確定近似的微結構，從而確定構建的屬性。到目前為止，由于熔體池和汽壓形態測量的歷史局限性，還沒有達成一致的、共同的和連貫的定義。在這篇綜述中，區分了基于過程的不同熔化模式的定義與基于事后證據的定義。本文強調了匙孔的重要性，它大大提高了熔池對激光能量的吸收。最近的研究強烈表明，穩定的鎖孔激光熔煉可以實現高效、可持續和穩健的增材制造。實現這一場景需要開發多物理模型，信號從形態學轉換為其他可行信號，以及跨平臺和尺度的過程計量。
1 介紹
金屬增材制造（AM），通常稱為3D打印，是金屬零件快速成型的工業應用。它最初起源于焊接方法和粉末技術的聯盟。直接將粉末沉積到激光熔池中產生了直接激光制造和激光工程網成形技術，雖然有效，但缺乏在無后加工的情況下通常有用的分辨率，并且沒有低沉積速率的幫助。然而，一旦原始專利到期，粉末床系統的開發很快就表明，良好的分辨率和合理的構建速度使得能夠直接制造復雜的幾何形狀和幾乎完全致密的零件。正是這一發展將3D打印從快速原型的狀態轉變為最終用途產品的實際增材制造。
基于激光的金屬粉末床熔融（LPBF）是一種增材制造（AM）工藝，其中金屬粉末通過掃描粉末床上的高功率激光來熔化。盡管許多人認為它是一種相對成熟的增材制造技術，但仍然缺乏對基本過程的理解。這意味著工藝參數開發和組件設計在很大程度上是通過迭代和經驗進行的。雖然這種方法有效，但它通常緩慢且昂貴。對流程基礎知識的更深入理解可提供更多信息來加速開發，而不必依賴最佳猜測方法。
該圖顯示了商用LPBF機器的光學布局和修改，以允許熔池的同軸成像。
在粉末床熔融構建過程中對時間和空間分辨的熔池溫度場進行原位測量以前沒有報道過。熔池體積小，在大型粉末床上快速移動，持續時間短，因此測量問題具有挑戰性。確定熔池溫度場有助于確定可能形成孔隙的區域，并有助于優化掃描路徑。凝固過程中的冷卻速率和溫度梯度也可以測量并與局部微觀結構發展相關聯。測量也可以構成在線質量控制系統的一部分，該系統具有組件中每個位置的熱歷史。
到目前為止，對溫度曲線最詳細的了解來自計算建模工作。Khairallah等人開發了一個LPBF的多物理場模型，該模型結合了光線追蹤，表面張力，馬蘭戈尼對流和蒸發反沖壓力。該模型突出顯示了由于反沖壓力、熔池內質量傳遞的重要性以及激光關閉時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驗測量來校準模型的吸收率，并且已經進行了激光相互作用區的高速成像，但沒有報告預測溫度場的實驗驗證。
單個激光脈沖沿艙口掃描期間的表面溫度序列。
原位過程監測工作一直是最近的一些綜述的主題，溫度測量是突出的。熔池輻射發射的同軸測量已使用光電二極管和機器視覺相機進行測量。雖然這些測量為質量和過程控制目的提供了有用的過程特征，但它們沒有針對溫度進行校準，并且對底層物理過程的洞察力很少。Criales等人使用離軸紅外相機在鎳合金的單次掃描軌跡中測量溫度，但是依賴于假定的單發射率值，這意味著計算的溫度值可能存在很大的誤差。寬視場紅外熱像儀也被用于監測電子束熔化（EBM）過程中整個層的溫度。需要仔細校準局部發射率值，并且該系統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實際上是小規模激光焊接的延伸，但這意味著它受到許多相同的限制。例如，由于凝固過程中的枝晶生長和大量殘余應力，LPBF零件容易發生熱裂紋。這在很大程度上限制了LPBF可應用的成分范圍，即主要僅適用于可焊接合金。同時，LPBF制備的微觀結構的許多方面與傳統制備的顯微結構有很大不同，具有諸如細胞結構、高位錯含量、過飽和、納米沉淀、非平衡相、夾雜物和不規則晶粒結構等特征。其中一些獨特的結構是有益的，而另一些結構可能會降低性能。對于某些合金，LPBF零件的總密度通常很高（理論密度的99.5%），但復雜的激光和粉末條件可能會產生異常，偶爾還會產生結構缺陷，如可變熔池、孔隙率和裂縫。這是目前阻礙LPBF在某些行業廣泛應用的主要因素之一。為了制造無缺陷和微觀結構可控的零件，我們需要更全面地了解激光與物質之間的相互作用以及激光熔化的模式。
在這篇綜述中，當提到熔池內的蒸汽主導型腔時，我們使用了以下術語。一般來說，術語“蒸汽凹陷”適用于由液體表面汽化產生的反沖動量引起的任何形狀的空腔。它更具普遍性和包容性。術語“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程。在總結了復雜性之后，回顧了兩個關鍵的耦合現象：
（1）熔化和蒸發以及（2）突出和鎖孔不穩定性。這些物理現象推動了熔池的形態演化（有或沒有蒸汽腔），是熔融模式定義的基礎。
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