探究粉末床金屬3D列印飛濺缺陷形成的原因

2020-12-23 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：採用高速攝影觀察通常的鋪粉金屬雷射3D列印，結合最新的計算模擬，來自美國Lawrence Livermore國家實驗室的研究人員揭示了發生飛濺時材料分配背後的機制，這一機制解釋了為何在列印金屬時會產生缺陷。這一結果發表在頂刊《Scientific Reports》上。

在傳統的觀念中，人們對雷射粉末床增材製造中的熔池動力學和熔滴驅離的解釋是建立在對反衝壓力（Recoil pressure）的理解基礎之上的，這一現象在雷射焊接中經常存在並被得到證實。當金屬表面的溫度達到或超過金屬的汽化溫度時，會形成金屬蒸汽流。較高壓力的反衝壓力（(>10exp（4）Pa)）時會產生一種向下作用到熔池上的壓力，從而導致熔池的快速移動而形成液態金屬自熔池驅離。直到今天，這一反衝壓力模型也經常被用來揭示粉末床增材製造中所發生的現象。然而，在前期的研究中，經常發現粉末粒子穿過蒸汽所形成的夾帶造成的位移是粉末層從熔道中離開的原因。粉末離開造成的空穴損害了增材製造部件的性能。需要在製造過程中小心謹慎的選擇工藝參數和掃描策略來進行製備。

研究人員採用高速攝影對熔池動力學進行觀察並揭示了在雷射粉末床金屬列印時形成微液滴飛濺的主導機理並不是大家所認為的在雷射焊接中普遍的存在雷射誘導的反衝壓力。而是由於周圍環境中的氣體所造成的蒸汽所形成的粒子夾帶。在強蒸汽流作用下的熔滴驅離的物理機制通過模擬雷射粉末床的相互作用來詮釋實驗結果。流體動力（學）的拉力分析用來增強單相流模型和揭示雷射列印316L不鏽鋼、Ti-6Al-4V 粉末的夾帶現象。氣體驅動的夾帶金屬微粒子以及相似的流體動力學的研究也進行了探討。

圖1 普通金屬雷射列印的高速攝影揭示材料重新分布背後的機理，產生缺陷

圖2 雷射列印SS316L時的飛濺：實驗（上排）與模擬結果（下排）

圖解：雷射列印SS316L時在兩種 不同實驗參數下粉末層的飛濺（a，b）以及SS316L基材上的飛濺（c，d），兩種實驗參數為：150W, 0.5m/s 和200W, 1.5m/s，相機的採樣頻率為 100kfps，曝光時間為 8μs，雷射掃描時的測量為自左向右，兩種情況下均採用Ar氣進行保護。(e,f) 採用粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry (PIV)）來進行投射粒子的定量測量，在參數為150W, 0.5m/s時，羽狀物中心的平均速度為 >9m/s，參數為200W, 1.5m/s 平均速度為>7m/s 。黑色箭頭為實際的粒子運動路徑，桔黃色的箭頭為內插數據。(g,h) 模擬結果顯示的為平板上熔池凹陷區上沸騰的區域。箭頭所指為氣體羽狀物可能的運動方向 。

圖3 雷射驅動SS316L板材時飛濺的實驗結果（a-c）與模擬結果（d-g） 的比較

圖解：模擬結果與實驗結果比較吻合。實驗包括三個實驗階段的快照記錄，頂部區域於1 Mfps的條件下顯示熔滴的形成和噴出。在 (a–c)中，點燃的雷射在關閉時由於白（灼）熱導致熔池和周圍區域的自激燃（熔化） 。在（a）中形成隆起物形態的飛濺，（b）中形成 長脖子形狀的飛濺，在（c）中以球形的熔滴逃逸，實驗參數為 : P=600W, u=3.0m/s。(d–f) 三種快照的模擬結果顯示出當前的實驗結果相吻合；(g)為在（f）中的半透明 側視圖，顯示複雜流動時前方的凹陷區和驅除的液滴相對平板的夾角。模擬時的工藝參數為：P=200W, u=1.5m/s。

圖4 粉末中雷射驅動的飛濺的實驗結果與模擬結果的比較，兩者非常吻合

圖解：實驗結果包括實驗快照，表明液滴的形成和飛濺開來的過程。點燃雷射時（a-c）為有過濾，d-f為沒有過濾，粉末開始熔化的圖。（a-c）顯示小於10μm的熔滴形成並在平板上飛濺。熔池採用藍色的虛線給予增強顯示。飛濺在（a）中形成隆起，在（b）中形成長脖子形態的飛濺，在（c）中以球形熔滴逃逸（紅色圓圈）；（d-f）則顯示在熔體前沿由於粉末的存在導致熔體堆積而形成的大的熔滴（紅色圓圈）；在（d）中凹陷區的前端熔池匯聚，並在（e）中向前推進和收集，在（f）中熔池逃逸至一個較短的距離。在（g-j）中模擬結果顯示了四個快照區域在（d-f）中的熔池驅除。快照（k-n）顯示了液滴驅除的亞臨界值。熔滴在（k）中左側變平 。實驗參數：材料為Ti6Al4V鈦合金, P=300W ， u=1. 5m/s (a–c) ；材料SS316L不鏽鋼, P=200W, u=2.0m/s (d–f) ，模擬時的實驗為：SS316L, P=200W, u=1.5m/s.

圖5 在 500kfps時熔池形成的高分辨圖像

圖解：為了更清晰的觀察夾帶粒子的快速加熱和由於白（灼）熱造成的熔化，外部的雷射點燃的能量在點燃時馬上關閉雷射。此時的雷射功率為 P=300W，掃描速度u=1.5m/s. 圖片展示的是自時間為 80s 到 174s拍攝的照片。當雷射自左向右掃描時，觀察到的粉末粒子為被掃蕩和箭頭區域來回震蕩。第一個照片顯示的是在80s時熔池前方雷射光斑所在的位置。熱的粒子在圖像中均為白色（紅色的圓形所示），而冷的粒子為黑色（藍色箭頭）。在 88s時，冷的粒子被升起，顯示為紅色箭頭、相似的熱的粒子以紅色箭頭顯示,在146s,線的熱和冷的粒子開始被夾帶進來，從而開始新的循環。

圖6 （a）雷射靜止不動時和移動粉末床中的粉末在Ar氣 流動時產生的粉末夾帶

圖解：蒸汽流在低氣壓區域產生導致向裡進入的氣體產生粉末夾帶，從而形成三個不同的區域1、2、3.（b）為雷射移動時非均勻移動造成有蒸汽流尾場形成且大約有三到四個光斑直徑的距離遠

美國Lawrence Livermore國家實驗室的研究人員結合超快熔池影像學和熔池動力學的高解析度模擬，找到了在雷射粉末床金屬列印時液態金屬驅離熔池（俗稱飛濺）的機理，其產生是由於周圍氣體的流動所造成的粒子夾帶，並不是大家通常所認為的在雷射焊接中所常見的雷射反衝壓力所造成的。

人們通常認為（其實是假設，並沒有得到證實）雷射造成的反衝壓力是導致飛濺產生的原因，這是因為在雷射焊接的時候是經常發生的。美國Lawrence Livermore國家實驗室的研究人員認為：如果我們假設這個理論成立的話，如果在熔池的右邊，你可以看到粒子在熔池右邊由於反衝壓力而驅離，但在大多數情況下粉末粒子一掃而空且被流動的氣體所夾帶。夾帶的粒子還會重新進入雷射束作用區並發生熔化，從而導致更多的飛濺發生。

當飛濺的粒子飛離雷射熔化的軌道並在部件上返回而著陸時，他們會夾帶粉末床中的粉末粒子，從而影響製造層的產品質量，如導致表面粗糙以及在最終的部件產生熔合不充分等。

採用三種不同的高速攝像機，拍照速度可以達到10million照片每秒的拍攝速度。研究人員不僅可以看到由於雷射所造成的壓力的波形變化和熔池金屬的滴劑計數情況，同時還可以觀察到粉末床在吮吸氣體時所造成的的氣體流動，不管此時的粉末床是立即熔化還是雷射並不接觸時所造成的飛行熔化。

結果證明只有大約15%的熔池飛濺粒子是由於熔池中的類似水潑濺效應所造成的，這就是人們常常所認為的飛濺形成機理。剩下的是冷的粒子穿過熔池之上的雷射束產生熔化以及一些其他原因造成的粒子飛濺。但令人驚奇的是，當人們觀察商業用雷射金屬印表機時，你會發現熱的粒子飛濺，同時他們更像是由於外部進入的氣體所產生的，並不是由於進入的夾帶效應所產生的。

圖7（a） 水滴滴在軟的且細的沙子中的動圖 （水潑濺效應 ）

圖7（b）水滴在荷葉上的水潑濺效應動態 實物圖

高速攝像的結果同高可信度的模擬結果相比較，兩者非常吻合，同時也進一步證實了在其他增材製造中所得到的結果，揭示了熔池影響飛濺方向背後的趨勢。

相機拍攝並不能詳細的展示熔池表面之下所發生的信息，所以只能藉助模擬手段來進一步的揭示。模擬結果則展示出雷射光斑作用下另外一個不同的景象，這一手段和展示出來的景象可以為我們揭示觀察到的實驗結果。這是一個模擬結果對實驗結果進行有力補充的案例，並且將成為科學研究和講解科學故事的重要手段。

該研究有助於幫助我們解釋雷射能量與粉末之間在列印過程中的作用機理，並提高對線性流體模型的改進。基於對作用狀況的深入理解，研究人員可以建立其飛濺產生的基準 和減輕飛濺的措施以及如何更有效的利用粉末。

參考文獻

1.部分圖片來自：Lawrence Livermore National Laboratory

2.http://www.xcar.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=21591745

文章來源：

y, S., Rubenchik, A.M., Khairallah, S.A. et al. Metal vapor micro-jet controls material redistribution in laser powder bed fusion additive manufacturing. Sci Rep 7, 4085 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-04237-z

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