在增材制造领域，激光粉末床熔融（LPBF）技术因其能够制造复杂几何形状的零件而受到广泛关注。然而，LPBF过程中涉及的物理现象极为复杂，包括激光与粉末床的相互作用、熔池动力学、蒸汽凹陷的形成及其不稳定性等。这些现象的复杂性使得对LPBF过程的深入理解和控制变得极具挑战性。为了更好地理解和预测LPBF过程中的这些现象，来自美国普渡大学和印度坎普尔印度理工学院的研究者们开发了一种高保真度的粉末床模型，该模型能够预测激光束在粉末床中的动态吸收率以及熔池和蒸汽反冲压力导致熔池形态之间的瞬态耦合。
研究首先利用离散元方法（DEM）来预测粉末粒子在基板上的配置，如图1所示。随后利用模拟得到的粉床特性，进行了热流模拟。模拟中考虑了激光束和射束俘获在粉末床和匙孔中的内部反射、热毛细管流动、蒸发引起的反冲压力和不同的相变(熔化、汽化、凝固)等物理现象。
图 1 DEM方法模拟的粉末分布情况
为了验证模型的准确性，研究者们将模拟结果与实验数据进行了比较。实验数据包括高速透射X射线成像和单轨沉积的熔池尺寸测量。结果显示，模型预测的熔池尺寸与实验结果吻合良好，这表明该模型能够准确地预测LPBF过程中的熔池形态和激光束吸收率。
在LPBF过程中，激光束的吸收率是影响熔池形态和最终零件质量的关键因素。研究者们发现，在粉末床熔化的初始阶段，激光吸收率非常高，这主要是由于粉末床对激光束的多次反射导致的光束捕获效应。随着熔池的形成，吸收率会迅速下降至最低点。此后，吸收率的行为取决于熔池的熔化模式，包括导热模式、过渡模式和蒸汽凹陷模式。在导热模式下，吸收率在准稳态下几乎保持恒定，而在蒸汽凹陷模式下，吸收率显示出高度非线性的波动行为，这与熔池蒸汽凹陷形态的不稳定性直接相关。
图2 S1和S2的有效吸收率的瞬态变化
激光束的功率、扫描速度、光斑直径和粉末层厚度等参数对熔池的形态和吸收率有显著影响。例如，较高的激光功率和较慢的扫描速度会导致更深的熔池和更高的吸收率。此外，粉末层的厚度也会影响熔池的形态，较厚的粉末层可能会导致熔池长度增加，但深度减少。
图3 ( a ) T1，T2和T3模拟( t = 13 ms)结束时沿顶面和纵向截面的温度分布；( b )净吸收激光功率的瞬态变化。( T1 : P = 150 W , T2 : P = 175 W , T3 : P = 200 W ,光斑直径为240 μm ,粉层厚度为100 μm ,扫描速度为84.6 mm/s)。
图 4 ( a ) T4和T5上表面的瞬态温度分布；( b )模拟( t = 2ms)结束时T4和T5的三维温度分布；( c )净吸收激光功率的瞬态变化。( T4：粉层厚度= 50μm，T5：粉层厚度= 100μm，功率= 150 W，光束直径= 240μm，扫描速度= 600 mm / s )。
图 5 ( a ) T6和T7上表面的瞬态温度分布；( b )模拟( t = 4ms)结束时T6和T7的三维温度分布，( c )净吸收激光功率的瞬态变化。( T6：粉层厚度= 50μm，T7：粉层厚度= 100μm，功率= 150 W，光束直径= 240μm，扫描速度= 300 mm / s )。
LPBF过程中，激光束与粉末床的相互作用是影响过程稳定性和零件质量的关键因素。研究者们通过并行化的光线追踪算法，考虑了激光束在固态粉末粒子的静态曲率和蒸汽凹陷动态界面的局部吸收率和反射率。这种方法能够更准确地模拟激光束在粉末床中的传播，从而为LPBF过程的优化提供了更精确的指导。
图6 计算区域二分之一处的温度分布以及T3的入射离散激光束射线。( a ) 0.025 ms (模拟的开始)，( b ) 13 ms (仿真结束)。为了更好地可视化，只显示了25 %的激光束矢量。
这项研究通过开发高保真度的粉末床模型，为理解和控制LPBF过程中的复杂物理现象提供了新的视角。该模型不仅能够预测熔池的形态和激光束的吸收率，还可以用于研究LPBF过程中的缺陷形成机制，如孔洞、未熔合和表面粗糙度等，这对于提高LPBF技术的应用范围和可靠性具有重要意义。。
相关研究成果以“Investigation of the transient coupling between the dynamic laser beam absorptance and the melt pool - vapor depression morphology in laser powder bed fusion process”为题发表在International Journal of Heat and Mass Transfer 201 (2023) 123663上，论文第一作者为Akash Aggarwal，通讯作者为Yung C. Shin。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123663
