金屬粉末床熔合增材制造中的激光熔化模式(3)
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。
B、 基于流程的定義
1.概念定義
Zhao等人（2017）首次報(bào)道了操作高速同步加速器x射線(xiàn)成像技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)激光聚變AM過(guò)程。由于前所未有的時(shí)間和空間分辨率以及比實(shí)驗(yàn)室x射線(xiàn)成像高數(shù)量級(jí)的高幀速率已被探測(cè)。因此，對(duì)激光熔化模式的定義進(jìn)行了相應(yīng)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(shí)間從傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)樾】住?/span>
在過(guò)渡模式下，熔池保持穩(wěn)定的準(zhǔn)半圓形狀，而蒸汽凹陷變深且呈錐形，并呈現(xiàn)波動(dòng)。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(shuō)，激光束通常不會(huì)直接與平坦的熔池相互作用，而是通過(guò)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(xiàn)。正如Panwisawas等人所述，鎖孔和鎖孔誘導(dǎo)孔隙的機(jī)制需要進(jìn)一步研究，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀徊皇呛転槿怂Ｎ墨I(xiàn)中提出了鎖孔孔形成的各種理由。在最近的另一項(xiàng)工作中，Cunningham等人使用超高速X射線(xiàn)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(shí)空細(xì)節(jié)觀察了這些現(xiàn)象，但他們沒(méi)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
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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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究，并且將鎖孔引起的孔隙率與文獻(xiàn)中的焊接和L-PBF結(jié)果進(jìn)行了定性比較。
從熱傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，兩個(gè)溫度點(diǎn)Tsk和Tsm主要取決于局部吸收的激光能量、熔體流動(dòng)通量、熱擴(kuò)散通量、蒸發(fā)潛熱、固液轉(zhuǎn)變潛熱以及表面輻射和對(duì)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(guò)將過(guò)渡時(shí)間轉(zhuǎn)換為臨界掃描速度[圖5（f）]或通過(guò)檢查熔池和蒸汽凹陷的橫截面，將該方法擴(kuò)展到掃描激光情況。這些基于過(guò)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(lái)。
2.嚴(yán)格的定義
在這里提出的嚴(yán)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(shí)間，為了嚴(yán)格定義模式，需要激光熔化的物理過(guò)程的某些方面（即蒸汽抑制和熔池演變）。也就是說(shuō)，這里演示的是相互作用時(shí)間，而不是輻照度。
在圖5（d）中，對(duì)于給定的激光功率和光斑尺寸，蒸汽凹陷深度與時(shí)間的曲線(xiàn)顯示了一個(gè)明顯的過(guò)渡點(diǎn)，在此之前，深度以幾乎恒定的速率緩慢增長(zhǎng)，之后，深度開(kāi)始波動(dòng)。該時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)變被定義為蒸汽壓下轉(zhuǎn)變。它嚴(yán)格定義了傳導(dǎo)模式的上限和過(guò)渡模式的下限。在過(guò)渡之前，空腔不是嚴(yán)格意義上的鑰匙孔。
在圖5（e）中，熔池隨時(shí)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(gè)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(dǎo)模式下的蒸汽壓下動(dòng)力學(xué)相對(duì)較慢，熔池動(dòng)力學(xué)可以跟上。當(dāng)縱橫比達(dá)到約0.5的值（隨激光功率變化）時(shí)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。
3.從靜止到掃描
對(duì)于給定的光斑尺寸，掃描激光束的兩個(gè)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?cè)霾闹圃熘校瑢?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(jī)械強(qiáng)度作為檢驗(yàn)指標(biāo)的研究相比。圖5（f）和圖5（g）使用基于過(guò)程的瞬態(tài)蒸汽減壓。當(dāng)速度接近零時(shí)，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(duì)稱(chēng)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(guò)激光-物質(zhì)相互作用時(shí)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(guò)兩個(gè)過(guò)渡時(shí)間點(diǎn)td和Vd¼D/td擴(kuò)展到掃描情況，其中D是激光光斑尺寸。對(duì)于給定的激光功率，有兩個(gè)臨界速度點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于蒸汽壓下和熔池轉(zhuǎn)變。對(duì)于一系列功率，這些點(diǎn)可以連接到兩條線(xiàn)，將P-V空間劃分為傳導(dǎo)、過(guò)渡和鎖孔狀態(tài)。在圖5（f）中，下藍(lán)線(xiàn)表示蒸汽壓下轉(zhuǎn)變，上紅線(xiàn)表示熔池轉(zhuǎn)變。此外，鎖孔區(qū)可以進(jìn)一步分為穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，后者對(duì)應(yīng)于P-V空間中的高功率區(qū)和低速區(qū)。
當(dāng)匙孔充分向下穿透（等值線(xiàn)內(nèi)）時(shí)，由于液體的高變形性，它將繼續(xù)進(jìn)入熔體的背面。此時(shí)，激光要么大多無(wú)法穿透那么遠(yuǎn)，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(huì)降低。該低溫區(qū)將導(dǎo)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(dǎo)致孔隙的形成。
為了闡明從淺深度熔池到鎖孔條件的快速過(guò)渡，上圖中描繪了三個(gè)不同時(shí)間的2D和3D溫度等值線(xiàn)以及速度矢量。
P-V空間中熔化模式的這些擴(kuò)展定義并不嚴(yán)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(dòng)顯著。它們簡(jiǎn)單地從靜止激光測(cè)量中導(dǎo)出，適用于基本評(píng)估。這與應(yīng)用的能量密度參數(shù)對(duì)于精確量化熔池深度和熔化模式具有局限性的事實(shí)一致。這可能歸因于整個(gè)空間中的蒸汽壓形態(tài)的大變化，這可以通過(guò)多個(gè)角度相關(guān)的吸收事件顯著改變激光吸收。這反過(guò)來(lái)通過(guò)馬蘭戈尼對(duì)流、反沖壓力和蒸汽沖擊影響熔體流動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)，并最終影響熔體池形態(tài)。
在實(shí)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(lái)定義。這可以通過(guò)使用高速同步加速器x射線(xiàn)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證后的3D多物理模擬來(lái)輔助，這類(lèi)似于靜止光束下的模擬。在掃描過(guò)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(yù)熱或表面氧化或粉末運(yùn)動(dòng)和表面上方的陰影。
(責(zé)任編輯：admin)
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