高时空分辨原位监测揭示增材制造过程激光-粉末相互作用

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中国地质大学（武汉）先进设计与制造团队郝亮教授课题组通过自主设计并搭建的面向激光选区熔化（SLM）的高时空分辨原位成像系统，实时监测SLM增材制造过程中的激光-粉末相互作用。

封面 | 殷杰, 郝亮, 杨亮亮, 李妍, 李正, 孙庆磊, 石斌. 激光选区熔化增材制造中金属蒸气与飞溅相互作用研究[J]. 中国激光, 2022, 49(14): 1402202

封面解读

封面呈现了激光选区熔化增材制造过程的基本原理。粉末在高能束激光的作用下经历了固态、液态、气态乃至等离子态，相态之间的相互作用显著。其中，金属蒸气与飞溅“气-固”相互作用包括：金属蒸气通过卷吸作用诱导的惰性卷吸气流间接作用于粉末颗粒，形成粉末飞溅；金属蒸气通过抬升力或反冲力直接作用于粉末颗粒，使其进入蒸气羽流或落回粉床。通过高时空分辨原位实时监测揭示了“激光与物质相互作用”的物理本质，为激光选区熔化技术实现高质量成形奠定了基础。

研究背景

激光选区熔化（SLM），又称粉末床激光熔融（LPBF），为个性化定制产品提供了一种低成本、高效率的制造方法，尤其适用于薄壁、复杂腔体、内流道等复杂零部件的快速成形，在航空航天、能源、生物和珠宝等领域应用前景广阔。

当前，SLM技术正朝着大尺寸多光束、多材料、高质高效和控形保性方向发展，但同时也存在着制约其工艺可靠性和可重复性的问题需要解决，如材料内部的冶金缺陷和残余应力等。较之已有百年历史的等材制造和减材制造，增材制造特别是SLM技术问世至今仅数十年，其成形机理还未完全明晰。

通过研究SLM激光与物质的相互作用及其与成形缺陷之间的内在关联，可为SLM技术实现少缺陷甚至是无缺陷的稳定成形奠定基础。

创新工作

中国地质大学（武汉）先进设计与制造团队联合武汉光电国家研究中心，通过自主设计并搭建的面向SLM的高时空分辨原位成像系统（最高时间分辨率190 ns，最高空间分辨率3 μm/pixel），能够实时监测SLM增材制造过程中的激光-粉末相互作用（包括熔池特征、金属蒸气行为和飞溅运动规律等），本文主要研究工作如下：

1) 探明了从熔池“液基”出射的熔滴飞溅的出射过程和熔体速度阈值（图1）。在较低的激光功率密度下，熔池液柱出射不明显；随着激光功率密度增大，熔池后端凸起乃至产生金属液柱；当激光功率密度较高时，液柱发生振荡出射，并断裂成若干熔滴飞溅。熔池液柱出射过程分为3个阶段，即上升阶段、振荡出射阶段和回落阶段。

图1 SLM成形中熔池液柱末端“速度-角度-时间”曲线，及从熔池“液基”出射熔滴飞溅的熔体速度阈值

2) 揭示了从基板“固基”出射的粉末飞溅的出射过程和气流速度阈值（图2）。卷吸作用下典型飞溅颗粒的出射过程分为4个阶段，即粉末颗粒在基板上团聚长大、进入惰性卷吸气流、进入金属蒸气羽流、落回粉床或进入惰性吹扫气流。

图2 金属蒸气间接作用于粉末颗粒，通过卷吸作用诱导的惰性卷吸气流形成粉末飞溅（从基板“固基”出射的粉末飞溅）

3) 变害为利，将SLM成形中的飞溅作为示踪粒子，通过粉末颗粒与金属蒸气的“气-固”相互作用（如图3，飞溅颗粒上表面受激光辐照产生蒸气反冲力导致其运动轨迹发生偏转），原位测量飞溅瞬态动力学获得了金属蒸气反冲压，并且实验测量值与理论计算值符合得较好。

在此基础上，研究团队进一步提出一种多高能束增强原位测量金属蒸气反冲压的方法。该方法采用双高能束（如双激光束），且设置双高能束扫描模式为同向前后而行，“前列高能束”与粉末作用时产生的后向出射飞溅，经“后列高能束”辐照发生显著偏转，能有效增加光致蒸气反冲压作用下典型飞溅的数量。

这不仅为原位测量金属蒸气反冲压提供了一种新颖的方法，而且为深入研究增材制造中蒸气与熔池的“气‑液”相互作用提供了原理级别的理论和技术支撑。

图3 金属蒸气直接作用于粉末颗粒，通过蒸气抬升力（t=100~300 μs）使粉末颗粒进入蒸气羽流,或通过蒸气反冲力（t=350~450 μs）使其落回粉床

值得一提的是，本文所提方法已授权专利（ZL202210146980.0），该发明专利经预审通道64天收到专利授权通知书，85天正式收到发明专利证书，得到了评审专家的积极肯定，是中国地质大学（武汉）建校70周年以来获批最快的国家发明专利之一。

工作展望

SLM增材制造的物理本质是“激光与物质（材料）相互作用”，后续工作拟从“激光”与“材料”两个层面深入拓展：前者包括不同激光模式/多光束SLM成形过程中的激光与物质相互作用，后者则聚焦于多材料/难成形材料的SLM成形机理等，以期为高质高效、大尺寸SLM增材制造控形保性的发展奠定基础。

课题组介绍

课题组合影照

中国地质大学（武汉）先进设计与制造团队依托于中国地质大学（武汉）珠宝学院与机电学院，团队先后承担了国家重点研发计划项目、国防973项目，国家自然科学基金、湖北省揭榜制科技项目、装备预研教育部联合基金一般项目、航天科技创新重点基金等项目。在国内外重要期刊发表学术论文380余篇，其中入选高被引论文10篇，申请或授权中国发明专利42项。团队近年来围绕国家重大战略需求，瞄准航空航天发动机推力室异种金属等增材制造与精密成形前沿技术，促进激光增材制造技术在航空航天、医疗健康、智能穿戴等制造领域的拓展应用。团队负责人郝亮教授曾与英国空中客车等企业合作开展了轻质航空零件的低碳设计制造技术研发与应用示范，通过跨学科交叉（设计、制造与计算机等）数字经济项目研发了规模化实物产品共享制造与价值共创模式，获得了世界知名CAD/CAM软件公司DELCAM的支持。

第一作者简介

殷杰，中国地质大学（武汉）教授/博导，入选地大学者青年拔尖人才。主要研究激光先进制造/激光与物质相互作用。先后主持国家自然科学基金、国防973子课题、上海航天科技创新重点基金（结题成果优秀）、中央高校基本科研业务费专项资金资助等项目。发表学术论文30余篇（近五年5篇代表作总IF=55.5），Google Scholar被引超2000次，3篇入选ESI/F5000高被引论文和封面文章，获增材制造前沿国际学术会议最佳论文奖等奖励。完成省级科技成果鉴定1项（整体技术达到国际先进水平），参编行业标准1项，受理和授权发明专利6项。受邀担任RAAM，LIMA等国际学术会议的分会主席并作邀请报告。担任国际学术期刊Micromachines等编委及20个学术期刊审稿人。在科睿唯安作者影响力射束图全部论文的引文百分位中位数为92%，近12个月学术评审贡献百分位为96%。

通信作者简介

郝亮，中国地质大学（武汉）教授/博导，副院长，先进制造研究所所长，湖北省珠宝工程技术研究中心常务主任，湖北省高层次专家，湖北省“产业教授”、湖北省特种加工协会副理事长、“创新创业战略团队带头人”等荣誉称号在英国期间主持/参与包括英国工程和物理科学基金、科技发展局、皇家工程协会、欧盟和企业如英国空中客车公司资助的超过300万英磅的研究项目（含两项大型欧盟项目），研发了世界首个激光粉末床熔融轻量化钛合金构件并经过航天飞行测试（2009）。回国后主持/参与国家自然基金面上项目2项、国家重点研发计划、国际合作交流项目和湖北省揭榜制科技项目及多项省部级资助项目。在国外国内核心期刊与重要会议发表100多篇论文，含5篇高被引论文，获批发明专利12项，撰写相关英文学术著作5部。被引次数9658次，H-index 49。

来源：增材制造硕博联盟

SLM 瞬态动力学断裂航空航天冶金增材通信理论材料

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首次发布时间：2023-03-18