激光粉末床熔融增材制造中对氩气保护气体和蒸汽动力学进行过程监测和模拟

来源： AM home 增材制造之家

激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造 （AM） 能够制造出具有精确尺寸控制、设计自由度和材料特性的零件，这些零件与使用传统制造方法制造的零件相似或更好。增材制造质量控制取决于金属增材制造过程中激光与物质相互作用的基本原理，使用L-PBF来开发材料的潜在用途和过程控制。在这项工作中，通过实验和计算利用气室中的热流体动力学来阐明L-PBF中气相、液相和固相之间的相互作用。结果表明，不同喷嘴在不同入口速度下对氩气（Ar）保护气流具有显著的抑制激光-烟雾相互作用的作用，从而减少了不稳定的金属蒸气流动，增强了激光吸收率。通过高速可视化进行过程监测，通过热-流体流动模拟，了解由于汽化和随后的激光-烟雾相互作用而产生的同时产生的气体羽流动力学。可以避免与不需要的缺陷（如缺乏熔合）相关的不利工艺动态，以改进工艺设计并增强工艺稳定性。

增材制造（AM）是一种新兴的数字制造技术，可以制造具有高度自由度的复杂零件。特别是，金属增材制造被认为在制造航空航天和汽车应用的耐高温合金零件方面具有广阔的前景，具有精确的成分和过程控制。在腔室尺度或熔池尺度寻求优化的工艺条件，以确保良好的产品质量。关于熔池结垢现象的综合综述见文献。

金属增材制造涉及各种界面现象和物理过程，如激光加热、部分或全部粉末熔化、熔池中的热流体流动运动、汽化、热传递到周围层，最后快速凝固。从热熔池中，可以产生蒸发的气体并诱导出向上的“羽流”（蒸汽），其中可能含有蒸汽冷凝产生的“烟雾”（固体纳米颗粒）。由于蒸发的气体流动，热飞溅颗粒（部分熔体颗粒）也可能从熔池中喷出，附近的冷粉末也可能被夹带。这些现象使金属增材制造变得复杂，最终产品的质量在很大程度上取决于工艺条件和加工窗口。

本研究旨在利用实验数据和数值模拟，直接揭示腔室规模增材制造中激光-烟雾和激光-飞溅相互作用的影响，并为更好的工艺条件设置提供见解。图1示意图为本研究的研究范围。受工业质量控制问题的启发，对气室建模进行了过程监测，并通过直接模拟阐明了详细的激光-羽流/烟雾相互作用机制。在模拟中，激光跟踪用于由于烟雾和飞溅颗粒引起的吸收和散射。识别了蒸汽/飞溅分布，并研究了扫描角度差对激光吸热的影响。据我们所知，首先通过直接解决蒸汽/飞溅分布问题并跟踪增材制造室中的激光相互作用来研究工艺质量。事实上，Bitharas 等人指出，激光束经常与喷射的蒸气和冷凝水相互作用，但这种效应大多被忽视，将效应纳入数值模型可以大大提高预测能力，从而可以先验地识别过程质量。在我们的一系列实验中，通过粒子图像测速（PIV）获得了气体速度场，通过高速相机成像获得了飞溅轨迹，通过热成像获得了熔池温度，通过光学断层扫描（OT）成像获得了吸热以及制造后的最终产品质量等数据。这些数据集与CFD模拟结合使用。本研究还将为进一步理解羽流蒸气中气相、凝聚纳米颗粒固相和激光以复杂方式相互作用的现象提供见解。

本研究中使用的加工机器是用于L-PBF的M290（EOS GmbH）。整个处理室的图片如图2a所示。加工台尺寸为250 mm×250 mm。在加工台之前，安装一个喷嘴来控制保护气体流量。图 2a 显示了“普通”喷嘴，其中连接了许多用于进入的保护气体 （Ar） 的孔，以及一个新的“狭缝”喷嘴，其中入口形状更改为三个水平狭缝。新型狭缝喷嘴的概念是减少建筑板表面与喷嘴出口下边缘之间的间隙，抑制康达效应（保护气体流向建筑板的偏转）。如果间隙太小，保护气体往往会将粉末从建筑板上吹走。因此，平衡很重要，这里的间隙高度小至 2 mm。事实证明，新的喷嘴设计比普通喷嘴具有更好的性能，详见 4.1.1 后面的内容。上部前部的方形喷嘴（图2a中的上部喷嘴）用于抑制飞扬的粉末和烟雾，以防止污染激光保护玻璃。激光从天花板部分射出，射到加工台上。当激光加工进行时，送粉器（目前在最右边）位于最左边。这里使用的材料是EOS GmbH（德国）的镍基高温合金IN718。

Results(激光-烟雾和激光-飞溅相互作用)

加工位置的影响首先，考察了加工位置的影响。该小截面中的扫描方向平行于保护气流 （θ =0 度）。图 15 显示了两个喷嘴的激光能量衰减效应。在蒸气云图像中，蒸气云由蒸气质量分数为 0.25（浅绿色）和 0.5（橙色）的两个等值面绘制。插件显示激光强度 I/I0和蒸气摩尔分数 X水汽以及激光路径。路径距离是从激光原点开始测量的。衰减与时间有关，通常，在靠近喷嘴的位置（位置 A）处衰减较大，而对于正常喷嘴，衰减较大。还观察到，当扫描方向反转时，衰减程度通常会发生变化。衰减程度由富蒸气区域内的激光轨迹长度决定。因此，（富蒸气区域）的蒸气形状和蒸气云内的激光轨迹长度决定了衰减。在靠近喷嘴的位置 A 处（外壳 B1（狭缝喷嘴：蓝色）和外壳 B3（正常喷嘴：绿色）），衰减较大。喷射出的蒸汽根据局部氩气流速和扫描方向发生偏转。在情况 B1 中，蒸汽云的根部保持不变，因为在背面喷嘴出口后面产生了一个小的慢流区域。蒸气云的上部很快被较快的氩气流冲走，其高度相当小且恒定。因此，衰减不小，但扫描方向的影响不是很明显。相反，在情况 B3（普通喷嘴）中，蒸汽云高度往往要高得多。这是由于喷嘴的氩气层相对较慢且较薄。由于蒸气云形状不平坦，激光也倾斜，衰减受扫描方向的影响。当扫描朝向下游时，富蒸气云内的激光轨迹较短（t=0.274 s），衰减较小。当扫描朝向上游时，富蒸气云内的激光轨迹较长（t=0.285 s），衰减较大。关于喷嘴块向后台阶处的再循环区，导致蒸汽停留在加工位置上，通常希望减少这种影响。这与在此处设置一个额外的喷嘴块以消除步骤的想法一致。然而，Elkins 等人采用多孔喷嘴块和喷嘴壁粘性阻力的缺点，对于多孔配置应慎重考虑。在侧面和下游位置 B（案例 B2 和 B4），相同的机制适用于蒸汽云形状。但是在这个位置B，喷嘴块步骤没有影响，Ar气体速度存在于表面附近。因此，普通喷嘴和狭缝喷嘴之间的蒸气云形状差异较小。尽管如此，由于保护气体流动相对较快，狭缝喷嘴显示出稍微好一点的结果。

图 16 显示了案例 B1 和 B3 的蒸汽形状和拟合曲线。除下部反流层区域外，上部高度演化遵循方程（7）的相关性，其中α = 0.45，狭缝喷嘴r=0.55和0.58，正常喷嘴r=10.6和19.8。正常喷嘴的 r 越大，是由于 Ar 流速较慢。因此，可以通过Ar流动设计来估计高度和长度的蒸气云尺寸。设计流场使其具有足够的氩气流动量对于最大限度地减少激光-烟雾相互作用并确保制造质量非常重要，并且可以通过使用CFD和上述相关性来实现这种设计。

典型的飞溅轨迹如图14所示。一旦产生这些飞溅颗粒，它们就会迅速远离蒸气区域。为了产生由于飞溅颗粒引起的激光散射的巨大影响，经常需要将激光束直接照射到在一定高度飞行的飞溅颗粒上，这在目前条件下并不经常发生。因此，与激光-烟雾相互作用相比，飞溅散射的影响在熔池附近的激光射线能量衰减方面受到限制。

扫描方向的影响 现在很明显，蒸气云形状对激光衰减有显着影响。在这里，激光扫描方向从平行（θ =0 度）变为垂直（θ =90 度）与保护气流。从图17中激光射线衰减的时间变化可以看出，衰减幅度略小，波动小于θ=0度，特别是在近喷嘴区域。该趋势与图 9 中的实验趋势相似。同样，每个时刻的衰减程度由富含蒸汽的云内激光轨迹的长度决定。橙色等值面指示的富蒸气区域的大小在喷嘴后面的停滞再循环区（位置 A）变大，在下游位置 B 处变小，在那里水流有效地将蒸汽吹向下游。尽管如此，与平行（θ =0 度）扫描相比，即使在喷嘴附近区域，蒸汽也可以吹得更快，因为蒸汽不会在该扫描方向下沿扫描路径连续积聚。

最后，实际的表面吸收能量，即激光衰减和表面吸收率的组合，如图18所示，使用图5d中的吸收率数据。吸收率的差异使病例之间略有不同，但趋势与上图相同。一般来说，垂直扫描（θ =90 度）和位置 B 的能量吸收更好。此外，在下游位置 B 处可以看到狭缝喷嘴的改善。

如上所述，通过适当控制激光器沿线的蒸气羽流/烟气分布，氩气流动设计和扫描方向策略是实现稳定加工的主要因素。通过考虑腔室尺度的流场和蒸汽动力学，可以进行这种激光相互作用分析。这种关于AM中激光轨迹与蒸气云之间直接相关性的分析是本研究首次通过在真实的AM室中进行模拟来分析。正确结合实验和仿真可以成为定量设计增材制造室中此类流场的有力工具。

实际现象很复杂，特别是固体纳米颗粒（烟雾）的模型在这项研究中仍然相当粗糙。识别凝聚纳米粒子的产生和可能的团聚特征、机理以及由此产生的Mie/瑞利散射可能是未来提高预测精度的下一个问题。在所研究的条件下，由于主要向后抛射，激光-飞溅相互作用相对较弱。然而，飞溅物喷射特性可能因工艺条件而异。在不同条件下获取更多数据很重要。

通过实验和仿真，详细研究了保护气流设计的影响。具体结论如下。

(1)实验OT信号与熔池深度相关。更强的OT信号意味着更少的吸收，熔池变浅，反之亦然。喷嘴配置的差异出现在OT信号差异中，其中新设计的狭缝喷嘴显示出更好的稳定结果。故意降低保护氩气速度会使OT信号和处理质量变差，这说明保护气体应足够大。OT信号还显示了对扫描角度的依赖性，垂直于保护气流的扫描通常显示出更好的结果。因此，保护气体的设计非常重要，流量应具有一定的大小以将蒸汽吹走。

(2)通过实验测量速度（保护气体和蒸汽）、温度和飞溅物。在目前条件下，蒸汽/飞溅物喷射主要发生在向后方向。熔池温度与熔池尺度模拟结果吻合较好。获得的信息被用作腔室尺度模拟的边界条件。

(3)首次对激光-烟雾相互作用进行了直接模拟。仿真结果表明，保护气体设计对蒸气云分布有较强的影响。为了减少激光衰减，蒸汽云必须迅速被保护气体吹走，因为富含蒸汽区域的激光轨迹距离决定了激光衰减。扫描方向也是决定蒸汽分布的一个因素。近喷嘴区域的平行扫描（θ =0 度）会导致激光区域的蒸汽积聚，而垂直扫描（θ =90 度）由于保护气体的吹扫，其不利影响较小。蒸汽云的形状可以通过速度（动量）比来表征，因为蒸汽和保护气体构成了射流横流配置。

本研究揭示了保护气体设计的重要性。下一步，将考虑与熔池模拟相关的多尺度直接模拟，特别是包括烟雾（纳米颗粒）效应。系统地收集相关实验数据对于扩大这种预测方法的适用性也非常重要。