多激光束进行铺粉增材制造时的飞溅和性能会如何？

来源：江苏激光联盟

采用高速摄影技术用来观察双激光和单激光进行SLM制造时的飞溅形成的机制；一个用于图像分析的框架发展来进行评估诱导生成的飞溅的分布；飞溅的颗粒决定着SLM制造过程中缺陷形成的类型，从而影响着其机械性能。

这一研究成果显示了SLM（激光选区熔化）过程中反冲压力（recoil pressure）在多激光束进行加工中的显著的作用。使用高速摄影技术来观察飞溅的形成机制以及SLM制造过程中的飞溅颗粒的行为。采用一个计算的图像分析框架技术来评估诱导的飞溅的尺寸和数量。飞溅的形貌和成分以及对SLM制造的部件的表面粗糙度的影响也进行了评估。未熔化区域，飞溅沉积在粉末上或凝固层上所形成的，被发现主要确定着SLM制造的部件的机械性能失效时的缺陷类型。同时，基于发展了一个有意义的工艺参数的优化来提高SLM制造过程中的部件的机械性能。

图1. 研究成果的Graphical abstract

在过去的一段时间里，增材制造技术，尤其是金属的增材制造（AM），吸引了广泛的关注，这是因为该技术独特的层层堆积来制造复杂形状部件的优势。激光选区熔化（SLM）是一种新颖的金属增材制造技术，在今后将显示出更大的优势。SLM技术可以制造高致密度的金属部件，达到99.9%，呈现出非常细小的显微组织和可以制造出复杂形状的部件，而这是传统工艺所不能或不易实现的。然而，SLM技术来广泛的应用于金属部件的制造还取决于最终的产品是否能够满足工程质量的表征。这包括减少由于飞溅所造成的缺陷，裂纹等，这一缺陷会显著的影响最终的机械性能。

飞溅的形成在多个激光辅助制造工作中被给予报道。如Low等人在研究激光打孔时研究了飞溅机理和激光工艺参数对飞溅的形成的影响。然而，很少研究是关于SLM制造过程中的飞溅形成的机理的研究。Simonelli等人研究SLM制造过程中的氧化反应对飞溅形成的影响。他们发现飞溅颗粒的化学成分同原始的粉末相比，改变非常明显。Khairallah等人使用三维高可信度粉末尺度的模型来研究反冲汽压的重要性和Marangoni对流在SLM制造过程中对形成飞溅的影响。Mumtaz和Hopkinson使用脉冲成形技术来控制输入到激光-材料相互作用区 能量来减少SLM制造过程中的飞溅数量。在另外的一项研究中，飞溅形成的机理在应用316不锈钢粉末的时候进行单道沉积来观察。作者发现激光能量输入影响到飞溅的尺寸，分散的状态和冲射的高度。尽管在SLM制造中已经有了如上研究，但在SLM制造过程中的飞溅形成的系统研究仍然存在较大的鸿沟。当前SLM的发展到使用多激光束来加速制造的过程，从而更加需要了解在多光束作用下的SLM制造时的飞溅形成机理。

在当前的工作中，高速摄影技术用来对SＬＭ制造过程中的飞溅颗粒的形成和行为进行分析。采用计算图像分析框架技术来获得诱导生成的飞溅的尺寸和数量。在双光束激光作用下的飞溅分布同使用单激光束作用下的情况进行了对比研究。结果表明使用多激光束的时候明显的增加了飞溅颗粒的数量和尺寸。飞溅的形貌和成分以及飞溅对制造部件表面粗糙度的影响均在本文中进行了确定。对SLM制造过程中采用高速摄影得到的形貌和显微组织分析得到的结果的吻合揭示了采用高速摄影技术是一种非常有效的确定飞溅的技术，前提是应用恰当。飞溅的形成对SLM制造的部件的失效机制的影响也进行了探讨，并作为参数系统优化来提高SLM制造产品的机械性能是非常必要的。

▲图2. 采用单激光或双激光束进行样品制造时的图像和示意图，区域1（Region）和区域2（Region）表示每一激光的工作区域。（a）SLM2800HL增材制造平台，样品1，2，5，6采用单激光束进行制造，样品3和4 采用双激光束进行制造；（b）采用高速摄影技术对双激光束进行样品加工时的示意表述

为了捕获采用单激光和双激光束进行制造时的飞溅动力学和机制，采用高速摄像机（型号为Fastcam 1024 PCI）来进行观察，见图3a。为了防止在激光扫描过程中任一光的散射，一个适宜的干涉过滤片放置在相机镜片的前面。如图3b所示，外部的光源在操作室内来提供足够的光来捕获图像，捕获速度为6000到3000帧每秒（fps）。

▲图3. 实验装置的设置图 ：(a) 在2800SLM制造设备中的前面放置的高速相机来捕获工艺过程；(b) SLM 280 HL 制造的工作室；LED灯放置在室内用于提供足够的光源来供给高速摄像

飞溅形成的机理
在SLM制造过程中，聚焦的高能激光束会导致金属熔池在激光的光斑中心位置的材料达到气化点。因此，反冲气压就会在如图4a中所示的熔池之上形成。当低的反冲汽压在SLM过程中于平直化熔池时，高的反冲汽压会导致熔池材料由于熔体的驱逐而移开。喷射的金属很快冷却和固化，形成不同直径的颗粒，主要取决于固化过程。这些颗粒在本文中被称之为液滴颗粒。此外，激光羽毛化动力学在非金属粉末周围的熔池影响导致熔池周围的粉末从粉末床分离。这些颗粒称之为飞溅粉末。这两类飞溅均沉积在未熔化的粉末或凝固层上。如图4所示，增加操作的激光束的数量，会在SLM制造过程中产生更多的飞溅。

▲图4. 在SLM制造过程中飞溅形成的示意图：（a）一个激光束在运行加工中和诱导的反冲气压在熔化的熔池之上造成粉末和液滴的飞溅；（b）双激光束紧密的工作在一起并产生大量的飞溅。

▲图5. 高速相机在单激光束的SLM制造过程中进行激光扫描得到的图像。该时间间隔为每幅图像的为0.67毫秒的捕获时间。绿色的箭头显示的为激光扫描道，而红色的点线则显示的为制造的样品的轮廓，见图2a

▲图6. 在SLM制造过程中使用双激光束紧密的工作在一起时高速摄影得到的图像。每幅图像的时间间隔为1毫秒时间，其中红色的箭头表示激光扫描的路径。其激光制造的部件见见图2b

▲图7. 高速相机图像分阶段得到的照片：（a）在SLM制造过程中采用单激光束加工时记录的实际图像；（b）该处a图中的分阶段图像；（c）该处图b中在非常接近激光束时的放大图像；（d）在SLM制造过程中采用双激光束时，且两者比较靠近的前提下记录的真实图像；（e）该处图d所得到的分阶段图像；（f）该处图e靠近激光束的放大图像

▲图8. (a, b)采用单激光束进行SLM制造时得到的飞溅分布图像或采用(c. d)双激光束时且两者的操作非常靠近时得到的图像。（a）飞溅的分阶段区域在一个照片中的框架显示在图7b中；（b）飞溅的分阶段尺寸（直径）在一个图像的框架中显示于图7b中；（c）显示的为图7e中的飞溅分阶段的尺寸（直径）；（d）分阶段分拣飞溅的颗粒尺寸（直径）在图7d中的情形。

▲图9. 采用单激光束和采用双激光束时SLM制造的部件在蚀刻之后的金相照片

▲图10. (a) 采用单激光束和双激光束进行SLM制造后得到的样品的工程应力应变曲线，其曲线可以表明两者在强度和韧性上的差别；(b) 在采用单激光束（B）和采用双激光束时（A）得到的样品在失效后的照片

主要结论
T对采用多激光束进行SLM制造过程中的飞溅形成机制进行了研究。飞溅行为的动力学过程采用高速摄影进行了记录。飞溅的尺寸和分布在不同工艺条件下的情况，包括操作时的激光束的数量（单激光和双激光束），均进行了评估。激光束的操作数量显著的影响着在SLM制造过程中的飞溅形成机制。激光束数量的增加会在熔池表面诱导形成反冲气压和驱逐大量的金属材料从熔池中分离。结果表明飞溅的数量在采用预合金粉末的时候会显著的多一些。飞溅的颗粒的形状主要以圆形为主。EDS技术对表面的飞溅进行成分分析发现含氧，这是因为Mg对氧具有高的亲和力造成的。拉伸测试结果表明，尽管两者的样品在采用单激光束和双激光束进行加工时飞溅存在较大的差别，但均呈现出韧性断裂，单激光束的研究结果明显优于双激光束。这一现象归因于在多激光束加工时诱导形成更多的夹杂物所造成的。最后，基于密度测试分析，可以得出的是优化制造参数可以最大化得到样品的致密度，但不是提高机械性能的最有效的办法，尤其是对SLM样品的疲劳性能来说，更是如此。需要更多的研究和注意，来找到和发展优化的办法来产生尽可能少的由于飞溅颗粒所造成的未熔化区域，这样就可以进一步的提高机型性能。

文章来源：Spatter formation in selective laser melting process using multi-laser technology，Materials & Design，Volume 131, 5 October 2017, Pages 460-469，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.040