前言
激光粉末床融合(LPBF)增材制造正得到工业界和学术界广泛探索以用于金属零件的生产。在LPBF期间,中等功率(~100–1000W)但高度聚焦(光斑尺寸~20–100μm)的激光以高速(~0.05–4m s-1)选择性地扫描连续的细金属粉末层,熔化和烧结粉末以构建完全致密的零件。LPBF的典型加工-结构-性能联系是:陡峭的热梯度和高冷却速率(~104-106 K s-1)有利于沿构建方向定向的细柱状晶粒;生产出的LPBF零件,典型地表现出强度增加、延展性降低以及微观结构和机械性能各向异性增加。
LPBF期间的激光能量密度足以蒸发金属,产生反冲压力,将熔融金属推离激光-物质相互作用区。随着激光能量密度的增加,反冲压力大到足以打开一个深的、高纵横比的蒸汽凹陷,称为锁孔。这种效应通常用于激光焊接以实现薄而深的接头。LPBF 通常以锁孔模式熔化以确保连续层之间的完全融合。此外,由于激光束沿锁孔的多次反射,激光吸收率在锁孔熔化中显着增加,从而为通过LPBF制造高反射材料(例如反射率约为91%的铝基复合材料)打开了大门,同时实现了更经济的用于LPBF的激光热源(例如二极管激光器),而不会牺牲打印效率。然而,锁孔会受到由能量和压力平衡控制的轴向波动和径向扰动,从而导致锁孔不稳定以及在某些情况下坍塌造成重大风险。小孔塌陷通常会导致熔池中形成气泡,气泡可能会被凝固前沿截留而形成孔隙。留在最终零件中的小孔可能充当应力集中源、裂纹萌生和扩展的位置,使其可能对疲劳寿命和其他最终部件的机械性能有害。
论文正文
锁孔坍塌机制和相关的状态转变
研究人员采用X射线成像用于探测LPBF期间的锁孔塌陷行为和锁孔孔隙形成机制。系统地描述了大范围区域能量密度条件激光作用下,在锁孔熔化状态过程中,锁孔形状和气泡发展的变化,如图1。可以看到,锁孔的形态从宽和浅变为窄和深。气泡首先在后锁孔壁(RKW)处形成,然后一旦锁孔变深变窄,则在锁孔底部占优势。
图1 LPBF中的小孔崩塌机制及相关的小孔熔化区转变
图2a显示了不同小孔熔化状态下小孔宽度的规律波动(过渡II,蓝色;不稳定III,红色)。为了进一步量化这些波动,计算了平均峰峰值周期,发现锁孔深度和宽度波动的相应频率范围从~2.5到~10kHz。此外,还发现不同锁孔状态下锁孔宽度(图2b)和深度(图2c)波动的显着趋势:从I开始,锁孔宽度波动的频率首先增加,在II中达到峰值,然后在III中略有下降。小孔深度波动的类似模式如图2c所示,其频率从I到II增加,然后在III中保持高位。
图2 LPBF 过程的锁孔动力学