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激光粉末床熔融（LPBF）技术，作为一种先进的增材制造（AM）技术，以其卓越的设计灵活性、极短的生产周期以及无需模具投入即可直接制造近净形金属部件而备受推崇。尽管如此，LPBF技术在安全关键领域中的应用面临着需确保零缺陷、高密度金属结构制造的难题。减少表面缺陷或降低粗糙度，可进一步提升LPBF制品的疲劳耐久性。这些表面缺陷通常与LPBF过程中产生的飞溅现象密切相关，因此，深入解析其演变机制，对预防表面缺陷至关重要。
在LPBF过程中，过大的飞溅物不仅会在零件表面留下痕迹，增加缺陷和粗糙度，还可能滞留在后续构建层的粉末床上，诱发缺乏融合的孔洞。而轻微飞溅对最终产品性能的潜在影响尚存诸多未知。尽管已有大量文献采用原位高速相机或纹影成像技术捕捉粉末表面的飞溅与蒸汽羽流，但LPBF期间蒸汽凹陷（或称匙孔）形态变化的细节描述上仍显不足。同步辐射X射线源因其卓越的时间分辨率（高达1MHz），成为了记录LPBF过程中飞溅与熔池动态的理想工具。结合同步辐射X射线源与纹影成像，证实蒸汽喷射角度与凹陷区/匙孔形态之间存在紧密关联，但匙孔形态对飞溅形成的具体影响尚不明晰。
因此，伦敦大学学院的Chu Lun Alex Leung教授团队利用同步辐射X射线源技术揭示并阐述了Al-Fe-Zr铝合金在LPBF工艺中蒸汽凹陷形状与飞溅动力学之间的内在联系。在贴近实际工业的加工环境下，研究团队量化了飞溅颗粒的数量、飞行轨迹、速度及动能，将其作为蒸汽抑制区/匙孔形态的函数。研究指出，凹陷区/匙孔的特定形态影响着飞溅的喷射角度：在传导模式下，准半球状的凹陷促使由蒸汽压力推动的羽流向后方散射飞溅；而匙孔后侧壁则重新组织气体/蒸汽流动路径，导致垂直飞溅喷发及边缘熔滴飞溅。此外，研究还发现了一种飞溅诱导的空腔机制，即在激光与细小飞溅粒子相互作用后，粒子被加速撞击粉末床，诱导粉末剥蚀并形成打印表面的空腔结构。通过对这些激光-飞溅相互作用的量化分析，该团队提出了一种创新打印策略，旨在有效降低缺陷率以显著提升LPBF部件的表面品质。
相关研究成果以题为“Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy”的论文发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。
图1. AA8A61.50 在LPBF过程中固体飞溅、粉末团聚和液滴的识别及飞溅行为示意图。
图2. LPBF过程中固体飞溅/液滴动力学的量化分析示意图。
图3. 固体飞溅/液滴运动与锁孔/凹陷区形貌间的关系示意图，其中（a）和（b）表示激光功率增加的效果，（c）和（d）为激光扫描速率降低的效果。
图4. 激光飞溅相互作用及其对激光扫描轨迹表面影响示意图。
-编辑：王云飞-
-审核：丁孝禹-
-终审：王梁-
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浙江工业大学
激光先进制造研究院
