日本近畿大学丨激光粉末床熔合增材制造表面纹理与内部缺陷的相关性

金属增材制造(AM)，尤其是粉末床熔合(PBF)，被认为是创造具有精致材料特性和复杂结构的新材料的重要工艺。该过程涉及使用激光或电子束作为热源。然而，人们对使用PBF工艺获得的成品零件的质量提出了一些担忧。这些问题与成品零件中出现的孔洞和未熔合等缺陷有关，以及由于PBF工艺固有的特性，在加工过程中表面粗糙度恶化。因此，PBF制造零件的机械性能和表面粗糙度低于锻造材料的机械性能和表面粗糙度。因此，在PBF加工过程中尽量减少缺陷的发生并确保成品零件的高质量的需求导致了监控和反馈控制系统的开发。

对于所述系统的开发，重要的是阐明在激光束PBF(LB-PBF)过程中发生的物理现象。粉末特性影响其重涂行为，从而影响激光照射引起的熔化和凝固现象，进而影响成品零件的质量。现有的研究不仅通过使用测试台和高速相机的实验，而且通过数值模拟，研究了熔池行为以及缺陷发生的原因，例如孔隙和未融合。并且研究人员还努力通过监测熔池状态参数（例如其配置和温度）来控制激光辐射水平。

对成品零件质量的要求包括满足标准化的机械性能要求、表面粗糙度标准和精度。这些特性受激光辐射引起的熔化和凝固现象的影响。因此，在熔化和凝固过程中，内部缺陷和表面粗糙度的不一致被认为会影响成品零件的质量。工艺参数对内部缺陷的发生和/或成品零件密度的影响经常被报道。因此，激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚度已被确定为基本的LB-PBF-LB工艺参数。使用激光功率和扫描速度工艺图确定最佳工艺参数。此外，体积能量密度（能量密度）因其与缺陷和成品零件密度的强相关性而被广泛用作工艺参数。然而，表面纹理参数与密度或内部缺陷之间的相关性还有待以系统的方式进行定量研究。因此，使用表面纹理参数准确预测内部缺陷仍然是一项具有挑战性的任务。

在日本近畿大学的最新研究中，研究人员研究了LB-PBF零件的表面纹理与内部缺陷或密度之间的相关性，从而为开发能够防止LB-PBF零件发生缺陷的原位监测和反馈控制系统提供指导。相关研究以 “Correlation between surface texture and internal defects in laser powder-bed fusion additive manufacturing” 为题发表在《Scientific Reports》期刊上。

论文链接:

制造的立方体试样的能量密度和相对密度之间的关系如图1C所示。相对密度随能量密度增加并达到最大值（称为“全密度”），对应于大约35J/mm3的能量密度值。其他材料也可以观察到类似的趋势，尽管它不仅取决于材料，还取决于粉末和激光特性。尽管大多数情况，包括对应400W激光功率的情况，都遵循这一趋势，但少数情况不符合这一趋势。这些偏差情况对应于涉及使用高激光功率（超过400W）和高扫描速度（2,000mm/s）的情况。收集数据的差异可归因于熔池不稳定性引起的强烈飞溅。