极端制造 | 激光粉末床熔融（LPBF）中飞溅与凹陷区的动态联系

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飞溅；凹陷区；同步辐射x射线成像；表面缺陷

• 通过高速原位x射线成像分析LPBF过程中飞溅与匙孔/凹陷区之间的动态联系；
  

• 发现新的飞溅形成机制；即由金属蒸气压力、Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流共同作用下于匙孔后缘形成的后缘液滴飞溅；

• 发现新的表面缺陷形成机制；即由激光-小颗粒粉末飞溅相互作用导致的表面孔洞，被称为飞溅引入孔洞；

• 推荐低能量密度（低扫描速度）的金属3D打印参数，以最小化LPBF的飞溅和表面缺陷形成。
  

当使用适当的工艺参数时，LPBF打印的组件在缺陷水平和机械性能方面可以优于铸件。然而，目前它们的表面质量和缺陷水平可能尚未达到锻造产品机加工组件的水平。因为铝的加工相对廉价，且废料可以高效回收，LPBF的铝合金组件目前仅在少数细分应用中能替代机加工组件。在工业中，铝合金LPBF在生产短交期的原型件（如非机加工的备件）或用单个增材制造组件替换复杂的组件系统时变得具有吸引力。

铸造铝合金如AlSi10Mg和高强度铝合金（例如6xxx和7xxx系列）在增材制造应用中可能表现出较差的机械性能或工艺性。为此，Constellium科技公司研究了新型的Al-Fe-Zr合金系统，并在铝协会注册为AA8A61.50。该合金设计简化了LPBF的生产过程。打印后，在400°C下进行4小时的沉淀硬化处理，其组件能达到约300 MPa的峰值屈服强度和高水平的导热性（180W/m·K）以及导电性（高达30 mS/m）。并且，AA8A61.50的打印组件通常表现出低内部缺陷和低残余应力。表面缺陷（或粗糙度）的减少能进一步改善其LPBF组件的疲劳性能，而这些表面缺陷通常与飞溅的形成有关。

综上，为了更深入理解LPBF中飞溅的形成演变机制， 从而防止它们的形成，UCL团队运用高穿透，高时间以及空间分辨率的同步辐射光源于动态飞溅的研究。在本文中，UCL团队对LPBF金属3D打印中高速飞溅的最新研究进行了详细的介绍。

最新进展主要分为四个部分：LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，飞溅的种类与形成机制，动态飞溅的定量分析，新的表面缺陷形成机制分析。

LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理。本实验中使用的设备是由UCL团队研发定制的LPBF激光3D打印设备，称为Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）。如图2所示，该设备由四个RenAM 500Q（英国Renishaw公司）激光扫描头、高速摄像机以及一个充满氩气保护气体的工作室组成。其激光功率最高可达500瓦，可还原工业级别的LPBF打印参数。原位实验前，一个厚度为1毫米、高度为15毫米的基板被镶嵌在两片极薄的玻璃碳窗片之间，并安装在工作室中。料斗在基板上自动沉积一层薄薄的粉末（约为60微米）。在原位x射线成像实验中，激光同步运作以模拟LPBF中加工薄粉末层的过程，参照视频1中的示例。

原位实验在欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）的高速成像光束线ID19上进行。该光束线使用两个U32摆动器产生多色硬X射线束，平均能量约为30 keV。当入射光束通过样品和封闭在两侧的玻璃碳窗后，衰减的X射线被LuAG: Ce闪烁体转换并发出可见光。可见光图像通过5倍物镜放大，然后由高速相机（Photron FASTCAM SA-Z 2100 K，日本Photron公司）以40 kHz的帧率捕获。本次实验的视场（FoV）为1024像素（宽）× 512像素（高），各向同性像素大小为4.3 微米。

获取的原始射线图像均使用ImageJ和MATLAB©进行处理。首先使用公式𝐹𝐹𝐶=𝐼₀/𝐹𝑙𝑎𝑡_𝑎𝑣𝑒 对图像进行平场校正。为了去除静止物体，应用了自定义的背景减除。之后通过应用高斯滤波器和手动阈值对固体飞溅和液滴颗粒进行分割。最后使用ImageJ中的TrackMate插件，通过应用掩模检测器和高级卡尔曼跟踪器，对飞溅颗粒运动进行跟踪和量化（参见视频2中的示例）。每条轨迹上识别出的颗粒的最大帧数设置为3帧。为了捕捉稳态匙孔或凹陷区形态，使用Python脚本对背景去除后的图像重新框定以聚焦于熔池区域。

飞溅的种类与形成机制。如图3所示，我们对LPBF过程中的五种飞溅颗粒进行了分类，并根据其形成机制将其划分为：固态粉末飞溅、固态夹带飞溅、粉末聚结飞溅、喷射液滴飞溅和大液滴飞溅。其中前4种飞溅的形成机制详解于文章导读章节。除此之外，我们发现了新的液滴飞溅的形成机制（称为后缘液滴飞溅）。如图3（d-g）所示，在匙孔熔化条件下，马兰戈尼对流将匙孔底部附近的液态金属推向上部熔池表面。强烈的蒸汽流（蓝色实箭头）会在匙孔后壁产生蒸汽压力。金属蒸汽和液态金属之间的速度和密度差异在气-液界面处引起扰动，即Kelvin-Helmholtz不稳定性。Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流（红色虚线箭头）的共同作用促使在后缘处形成一个大的液体突起。当蒸汽射流继续与突起持续相互作用时，它会使液态金属过热并降低其表面张力，形成一个缩颈区。一旦蒸汽压力克服了缩颈区的表面张力，大的液滴就会脱离并被蒸汽射流喷射出去形成后缘液滴飞溅。

同时，我们定量分析了飞溅颗粒的尺寸和数量，其中飞溅尺寸分布与线性能量密度（𝐸_𝑙）之间没有相关性。然而，固体或液滴飞溅颗粒的数量与𝐸𝑙之间却存在强正相关性。因此，我们推导出以下公式来预测AA8A61.50在LPBF过程中飞溅颗粒的数量：

固态飞溅：

液滴飞溅：

这两个公式均可用于未来LPBF中飞溅模型的验证以及设计新的打印参数以达到飞溅最小化。

动态飞溅的定量分析。为了理解在不同扫描速度和激光功率下的飞溅动态，我们在LPBF过程中追踪并量化了固态飞溅以及液滴飞溅颗粒的轨迹角度和速度。同时我们还将将飞溅的动能与输入的激光能量进行比较，以估计飞溅生成过程中消耗的能量百分比（P_E）。

图4展示了不同激光功率和扫描速度下飞溅颗粒的运动轨迹角度、速度以及消耗能量百分比，并与相对应的匙孔/凹陷区形态进行比较。研究结果表明匙孔/凹陷区形态对于飞溅颗粒的轨迹角度影响较大。而线性能量密度与飞溅速度/动能之间呈正相关，这是因为较高的线性能量密度（较高激光功率或较低扫描速度）会在LPBF过程中引起更多的金属汽化和更高的蒸汽压力。同时，较高的扫描速度有利于减少夹带粉末飞溅的产生。

综上，我们建议在激光功率为420瓦的情况下，使用更快的扫描速度（>1米/秒），以使得AA8A61.50合金在LPBF打印过程中减少整体飞溅数量,飞溅速度和粉末夹带。

新的表面缺陷形成机制分析。先前大量研究表明，大液滴飞溅可能会被困在打印层之间，导致杂质和孔隙，从而对LPBF产品的性能产生不利影响。通过对x射线图像的逐帧分析，我们发现了由小颗粒固态飞溅导致的新的表面缺陷的形成机制（称为飞溅引入孔洞）。

图5（a-f）展示了飞溅引入孔洞的形成机制。一个约36微米的前向飞溅颗粒首先被喷射到激光扫描路径中，然后在激光辐射力（Frad）作用下改变其轨迹方向，高速飞向粉末床（称为激光-飞溅相互作用）。在飞溅与粉末床碰撞时，引起更多的粉末飞溅并在激光束前方形成一个局部裸露区，激光熔化后在最终打印层中形成一个表面孔洞。同时图5（g-h）表明，较小的匙孔/凹陷区前壁角度会产生最少的前向飞溅颗粒，从而降低激光-飞溅相互作用的概率。最终减少表面孔洞产生的可能性并改善表面质量（即低表面粗糙度）。

由于高速成像技术时间或空间分辨率的限制，目前对于LPBF金属3D打印过程中动态飞溅的理解和认知还稍显不足。本文应用高速同步辐射x射线成像技术在新合金AA8A61.50 LPBF打印过程中进行了飞溅颗粒的动态研究，证明了同步辐射光源在高速动态现象研究中的潜在应用价值。因此，我们认为未来LPBF中飞溅研究的发展方向应侧重于利用同步辐射光源对不同合金（例如在增材制造应用广泛的不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金等）在LPBF打印过程中产生的飞溅进行定量分析。最终实现LPBF金属3D打印飞溅最小化以及表面质量最优化。