激光能量直接沉积时原位测量熔池横截面和晶粒方向

来源：江苏激光联盟

导读：掌握激光能量直接沉积（L-DED）过程中的熔池的行为对于预测和控制熔池的质量至关重要。早期的工作主要聚焦于观察熔池的表面特征。在这里，来自英国曼彻斯特大学的研究人员采用同轴影像系统来确定高速激光能量直接沉积时熔池的横截面和预测晶粒的生长方向。

对影像处理程序、沉积道的横截面的预测以及熔池形状和熔池动力学、晶粒生长方向之间的关系进行了研究。结果表明，可以获得清晰明确的熔池边缘，以至于可以实现熔池的预测，其精度超过95%。预测熔池长度时其精度可达90%。基于实验得到的熔池宽度和深度的数据，预测的熔池长度，其准确性可以达到92%，同实验数据匹配较好。熔池的形成可以有助于预测凝固过程中的晶粒生长的方向。

实验所用的激光熔覆沉积加工头和粉末流速的强度分布图

激光能量直接沉积（L-DED）是一种近净成形的增材制造技术，可以采用层层堆积的方式来制造三维实体。这一技术利用激光束流产生产生熔池来熔化输送的粉末/丝，可同轴输送也可以旁轴输送。L-DED的典型应用包括激光熔覆、增材和部件的修复等。已经有许多关于L-DED的研究是研究工艺参数对沉积道形状和如何排除缺陷以及显微组织特征和沉积层或沉积部件的性能的研究。

实验所需要的影像系统的示意图

图解：a同轴相机的安装；b旁轴相机的安装；c旁轴相机影像系统观察到的熔池形貌；d激光束和粉末流在加工区域的示意图；e视觉区域穿过送粉嘴时的视觉尺寸

为了获得较高的沉积速率和较高的粉末利用率，早期的一些研究学者开展了高速激光能量直接沉积技术（HDR-L-DED）。为了提高材料的 利用率，高的激光能量是必须的。Tuominen等人使用15KW的光纤激光来熔覆In625合金，粉末的利用率为15.6kg/h。已经有大量的工作是将额外的热源如电弧感应加热技术同激光技术整合在一起来增加熔化材料时的热输入。曾晓雁等人则将激光和感应加热结合在一起来增加热输入，此时的工作还同时实现了提高沉积速率的目标。此时的粉末输送速率为75.6g/min（粉末为NiCrBSi和WC的混合粉末），激光扫描速度为2200mm/min。

单道沉积时的熔覆道和采用3D扫描的测量位置

需要注意的是，以往的研究中其粉末的利用率为60-80%，因此，继续提高粉末的利用率还是有很大的提升空间的，这样可以提高粉末的利用率和减少材料的浪费。来自德国ILT激光研究所的研究人员发展了一种高速激光熔覆工艺，粉末的利用效率可以超过90%，激光扫描速度可以超过200m/min。，且在熔覆的时候可以实现粉末在到达基材之前熔化粉末。该技术的原理在于增加粉末束和粉末之间相互作用的时间，这样粉末就会受到激光作用而获得更高的温度，这样进入熔池的粉末就更容易被熔池所捕获。Zhong等人研究了高速激光熔覆的熔覆方面的应用和In718的3D打印。他们的研究包括工艺参数对沉积层缺陷的影响、粉末流的特征和沉积质量的关系以及凝固材料的显微结构和性能等。Schoppoven等人则优化了超高速激光熔覆作为一种涂层技术的工艺参数。他们的研究结果表明超高速激光熔覆可以作为镀铬涂层技术和用于耐磨涂层、耐蚀涂层的热喷涂技术的替代工艺。然而，将超高速激光能量直接沉积技术用于多层沉积的研究还比较少。在L-DED工艺过程中，沉积道的形态特征是一个非常重要的参数，直接影响着制造的精细特征和用于多道、多层沉积时的工艺参数，包括搭接时的间距和粉末喷嘴到工件表面的距离等。已经有大量的分析模型用于单道沉积和多道沉积的分析。这些研究基本用于描述横截面的形态。研究时基本是熔覆后熔道的尺寸测量，而这并不是一种在线过程。

测量的熔池宽度和熔覆道宽度的比较

然而，在金属沉积的过程中，熔覆道的形态由于热积累或工艺的波动造成它并不是均匀的。对熔覆道的形态进行实时的计算有助于实时调整搭接间距或实时调整激光头距离加工表面的距离。

测量和估计的熔池长度的对比

同传统的L-DED工艺相比较，在HDR-L-DED工艺过程中，会产生更多的热积累和生成更大的熔池体积。对增材制造而言，尤其是当大尺寸部件或复杂形状的部件进行制造时，热积累和工艺的波动的问题就会显著的影响产品的性能。

当更多的熔池材料进行沉积的时候，添加的材料对熔池动力学的影响非常显著。相应地，对HDR-L-DED工艺过程中的监测和控制就显得非常重要。最常见的测控熔池相关特征的参数是温度和尺寸。

熔覆道的横截面和拟合的熔覆道的形态

测量和估计得到的熔覆道高度的比较

目前尽管有大量的工作是关于同轴相机用于L-DED工艺过程的监测，很少有观察熔池的图像和熔池的横截面或凝固材料显微组织行为之间关系的研究。而且，没有关于HDR-L-DED工艺中同轴视觉监测方面的报道。

多道熔覆沉积时得到的横截面及其拟合曲线

在这里，来自曼彻斯特大学大学的研究人员为我们展示了高速沉积过程中同轴原位影像系统和提出了一种预测单道和多道沉积时实时预测横截面形态的方法。熔池动力学和熔池特征、材料凝固时晶粒生长之间的关系也进行了讨论。

由于HDR-L-DED工艺一般用于大熔池的制造过程，所以对用于熔池边界适应性的工艺来估计熔池尺寸。

在TS为10mm/s时预测的凝固速率和晶体生长方向的对比

论文取得的主要研究成果如下：

• 在高速激光能量直接沉积时原位监控熔池的横截面形状；
• 原位监控材料凝固时的晶粒生长方向；
• 经过实验证实其准确性可以超过90%
  

文章来源：In-process measurement of melt pool cross-sectional geometry and grain orientation in a laser directed energy deposition additive manufacturing process，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106280，Optics & Laser Technology，Volume 129, September 2020, 106280