江蘇雷射聯盟導讀：
來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已通過在雷射加工過程中測量不鏽鋼表面的電子發射來提高基於雷射的金屬3D列印技術的可靠性方面邁出了令人鼓舞的一步。
增材製造技術的市場在過去十年中呈指數增長，預計到2024年將超過350億美元，同比增長40％以上。這一增長包括機器製造商、零件製造商以及大型行業應用端的研發活動。增材製造部件的質量和可重複性，尤其是為航空航天和生物醫學行業中關鍵性能應用而製造的部件，對於提高增材製造的應用率至關重要。當今的工業4.0範例通過創建所謂的「數字線程」，提高了對裝配式零件的信心。補件的數字指紋，其中包含生命周期信息，例如計算機輔助設計示意圖、過程中監視數據、後處理檢查和供應鏈年表。金屬的雷射粉末床熔合(LPBF)增材製造將極大地受益於此類增強功能，因為存在看似隨機的事件，這些事件會導致缺陷，從而限制了製造部件的性能。事實證明，改進的監控解決方案可為缺陷檢測提供一些啟發式方法，但是許多解決方案需要將特殊集成到加工雷射器的光路中，或者需要粉末床的其他視點。這些解決方案通常在商用機器上是不可訪問的，並且對於機器用戶而言可能是昂貴的、數據密集的或負擔沉重的。
通過LPBF增材製造製造的部組件的熱歷史是確定實現其性能規格的可能性的最重要指標之一。LPBF通過逐層策略製造組件，其中將一層金屬粉末散布在固體金屬基板上，然後通過雷射進行選擇性熔化。該策略通過降低工件和鋪展新的粉末層而進行，並重複進行直到形成所需的組件。凝固過程中的快速加熱和冷卻以及加工過程中的大量熱循環引入了獨特的微觀結構特徵，這些特徵直接影響零件的性能。總的來說，如果熱輸入太低，粉末層將不會熔合到下面的組件層，並且會發生熔合缺陷。相反，如果熱輸入過高，則熔融金屬會劇烈蒸發，並且會形成蒸氣反衝壓力和等離子的結合，從而形成局部凹陷，雷射吸收增加，這是不穩定的，並可能導致孔隙。可以測量數千個開爾文的熔池溫度測量是描述這些現象的關鍵。最先進的原位溫度測量依賴於熱成像。這些技術基於理想的黑體熱輻射，並且是目前僅有的具有足夠的時間和空間解析度來捕獲過程熱動力學的方法。雷射掃描速度為106Ks1和米/秒的熱梯度需要千赫茲或更高的時間解析度，而雷射束直徑為100 m則要求低於幾十微米的空間解析度。對於LPBF增材製造而言，雷射材料界面非常動態並由金屬蒸氣、液體、粉末和塊狀固體組成，因此，假設發射率遵循眾所周知的溫度發展的假設是不準確的。這一挑戰將精確的光學溫度測量限制在具有近似恆定發射率的區域，例如熔池後面或較冷的固化區域。這些結果說明了熱電子發射傳感技術能夠檢測出雷射驅動現象的可能性，這些現象可能導致零件缺陷，優化構造參數並提高LPBF工藝的知識，同時補充現有的診斷能力。在LPBF增材製造過程中用於探測動力學的其他原位診斷方法包括X射線照相術、高速光學成像、光發射光譜法、熱成像、掃描幹涉法和聲波光譜法這些方法已被證明可有效解決雷射誘導的動力學問題，包括熔池流動、孔形成、表面形態，蒸氣羽流生成和粉末剝蝕。通過識別導致缺陷的動力學，這些缺陷會導致製造質量的擾動，這些建立了使用LPBF技術製造的零件的信心。
來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員使用定製的試驗臺系統和電流前置放大器，在雷射粉末床熔合（LPBF）條件下，收集了316L不鏽鋼的熱電子發射信號，該放大器用於測量金屬表面與腔室之間的電子流動。然後他們使用產生的熱電子發射來識別由雷射-金屬相互作用引起的動力學。 該研究成果11月27日在線發布於Communications Materials。
圖1. 可視化從基材表面發出的熱電子發射以及用於LPBF期間信號檢測的實驗配置
首席研究員Aiden Martin表示生產無缺陷零件是金屬增材製造(AM)在商業上廣泛採用的主要障礙。LLNL研究人員一直在通過開發過程和診斷工具來改善金屬增材製造的可靠性來解決這個問題。這種新的方法論對這些現有的診斷工具進行了補充，以加深我們對3D列印過程的理解。我們的下一步是擴展該技術進入在全尺寸LPBF系統上運行的傳感器，以提高對內置零件質量的信心。
研究人員表示儘管已經進行了大量研究以通過光學成像，X射線射線照相或測量熱或聲信號發射來理解和測量用LPBF列印部件的方式，但熱離子發射卻被忽略了。但是，通過觀察和分析雷射加工過程中發射的電子，實驗室研究人員證明了它們可以將熱電子發射的增加與表面溫度和雷射掃描條件聯繫在一起，從而導致孔形成和零件缺陷。
圖2. c–h揭示熔池幾何形狀所產生的軌道橫截面的光學圖像，其為雷射功率的函數
通過實驗數據和模擬，研究人員報告了熱離子發射信號呈指數增長，熔池深度隨局部能量密度呈線性增加，證明了金屬表面溫度對熱離子發射的「臨界依賴性」，以及將熱離子信號用作熱電偶的效用。LPBF中優化雷射聚焦的方法。本文第一作者和LLNL工程師Phil DePond表示，金屬增材製造中的電子發射通常被應用者們所忽視，他們很高興看到它對工藝條件的極端敏感性。
研究小組的觀察結果表明，LPBF過程中的等離子體形成可能是由電子從金屬表面噴射到氬氣氣氛中並與雷射相互作用而引起的，他們先前將其歸因於汽化金屬被雷射束電離。
圖3. 研究人員在雷射粉末床熔化（LPBF）條件下測量了不鏽鋼表面電子的發射，證明了使用熱電子發射信號檢測可能產生零件缺陷的現象並增進對LPBF工藝的理解的潛力。頂部圖像顯示了雷射誘導的不鏽鋼熔化的多物理場模擬，顯示出主要在表面凹陷的前端產生的電子發射信號。底部圖像描繪了由不鏽鋼製成的雷射軌道的橫截面。監測熱電子發射可以檢測出傳導（左）和鎖孔（右）模式焊接方式之間的過渡。圖片來源：Aiden Martin / LLNL
研究人員表示，熱電子發射對表面溫度和表面形態的高度敏感性使他們能夠確定傳導和鎖孔形成之間的確切過渡點，從而導致零件中形成孔。他們得出的結論表明，熱電子信號可與傳統的LPBF數據收集和處理方法一起有效使用，提高了雷射與材料相互作用的科學知識，並確定了可能出現缺陷的地方。
共同作者兼雷射材料相互作用科學小組負責人Manyalibo「 Ibo」 Matthews表示，這項研究從更廣泛的意義上說，這代表著建立有效的原位監測功能的重要步驟，可以加快LPBF組件的鑑定和認證。
本文來源：Philip J. DePond et al. Laser-metal interaction dynamics during additive manufacturing resolved by detection of thermally-induced electron emission, Communications Materials(2020). DOI: 10.1038/s43246-020-00094-y