江苏激光联盟导读：采用高速摄影观察通常的铺粉金属激光3D打印，结合最新的计算模拟，来自美国Lawrence Livermore国家实验室的研究人员揭示了发生飞溅时材料分配背后的机制，这一机制解释了为何在打印金属时会产生缺陷。这一结果发表在顶刊《Scientific Reports》上。

在传统的观念中，人们对激光粉末床增材制造中的熔池动力学和熔滴驱离的解释是建立在对反冲压力（Recoil pressure）的理解基础之上的，这一现象在激光焊接中经常存在并被得到证实。当金属表面的温度达到或超过金属的汽化温度时，会形成金属蒸汽流。较高压力的反冲压力（(>10exp（4） Pa)）时会产生一种向下作用到熔池上的压力，从而导致熔池的快速移动而形成液态金属自熔池驱离。直到今天，这一反冲压力模型也经常被用来揭示粉末床增材制造中所发生的现象。然而，在前期的研究中，经常发现粉末粒子穿过蒸汽所形成的夹带造成的位移是粉末层从熔道中离开的原因。粉末离开造成的空穴损害了增材制造部件的性能。需要在制造过程中小心谨慎的选择工艺参数和扫描策略来进行制备。

研究人员采用高速摄影对熔池动力学进行观察并揭示了在激光粉末床金属打印时形成微液滴飞溅的主导机理并不是大家所认为的在激光焊接中普遍的存在激光诱导的反冲压力。而是由于周围环境中的气体所造成的蒸汽所形成的粒子夹带。在强蒸汽流作用下的熔滴驱离的物理机制通过模拟激光粉末床的相互作用来诠释实验结果。流体动力（学）的拉力分析用来增强单相流模型和揭示激光打印316L不锈钢、Ti-6Al-4V 粉末的夹带现象。气体驱动的夹带金属微粒子以及相似的流体动力学的研究也进行了探讨。

图1 普通金属激光打印的高速摄影揭示材料重新分布背后的机理，产生缺陷

图2 激光打印SS316L时的飞溅：实验（上排）与模拟结果（下排）

图解：激光打印SS316L时在两种 不同实验参数下粉末层的飞溅（a，b）以及SS316L基材上的飞溅（c，d），两种实验参数为：150 W, 0.5 m/s 和200 W, 1.5 m/s，相机的采样频率为 100 kfps，曝光时间为 8 μs，激光扫描时的测量为自左向右，两种情况下均采用Ar气进行保护。(e,f) 采用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry (PIV)）来进行投射粒子的定量测量，在参数为150 W, 0.5 m/s时，羽状物中心的平均速度为 >9 m/s，参数为200 W, 1.5 m/s 平均速度为>7 m/s 。黑色箭头为实际的粒子运动路径，桔黄色的箭头为内插数据。(g,h) 模拟结果显示的为平板上熔池凹陷区上沸腾的区域。箭头所指为气体羽状物可能的运动方向 。

图3 激光驱动SS316L板材时飞溅的实验结果（a-c）与模拟结果（d-g） 的比较

图解：模拟结果与实验结果比较吻合。实验包括三个实验阶段的快照记录，顶部区域于1 Mfps的条件下显示熔滴的形成和喷出。在 (a–c)中，点燃的激光在关闭时由于白（灼）热导致熔池和周围区域的自激燃（熔化） 。在（a）中形成隆起物形态的飞溅，（b）中形成 长脖子形状的飞溅，在（c）中以球形的熔滴逃逸，实验参数为 : P = 600 W, u = 3.0 m/s。(d–f) 三种快照的模拟结果显示出当前的实验结果相吻合；(g)为在（f）中的半透明 侧视图，显示复杂流动时前方的凹陷区和驱除的液滴相对平板的夹角。模拟时的工艺参数为：P = 200 W, u = 1.5 m/s。

图4 粉末中激光驱动的飞溅的实验结果与模拟结果的比较，两者非常吻合

图解：实验结果包括实验快照，表明液滴的形成和飞溅开来的过程。点燃激光时（a-c）为有过滤，d-f为没有过滤，粉末开始熔化的图。（a-c）显示小于10 μm的熔滴形成并在平板上飞溅。熔池采用蓝色的虚线给予增强显示。飞溅在（a）中形成隆起，在（b）中形成长脖子形态的飞溅，在（c）中以球形熔滴逃逸（红色圆圈）；（d-f）则显示在熔体前沿由于粉末的存在导致熔体堆积而形成的大的熔滴（红色圆圈）；在（d）中凹陷区的前端熔池汇聚，并在（e）中向前推进和收集，在（f）中熔池逃逸至一个较短的距离。在（g-j）中模拟结果显示了四个快照区域在（d-f）中的熔池驱除。快照（k-n）显示了液滴驱除的亚临界值。熔滴在（k）中左侧变平 。实验参数：材料为Ti6Al4V钛合金, P = 300 W ， u = 1. 5 m/s (a–c) ；材料SS316L不锈钢, P = 200 W, u = 2.0 m/s (d–f) ，模拟时的实验为：SS316L, P = 200 W, u = 1.5 m/s.

图5 在 500 kfps时熔池形成的高分辨图像

图解：为了更清晰的观察夹带粒子的快速加热和由于白（灼）热造成的熔化，外部的激光点燃的能量在点燃时马上关闭激光。此时的激光功率为 P = 300 W，扫描速度u = 1.5 m/s. 图片展示的是自时间为 80 µs 到 174 µs拍摄的照片。当激光自左向右扫描时，观察到的粉末粒子为被扫荡和箭头区域来回震荡。第一个照片显示的是在80 µs时熔池前方激光光斑所在的位置。热的粒子在图像中均为白色（红色的圆形所示），而冷的粒子为黑色（蓝色箭头）。在 88 µs时，冷的粒子被升起，显示为红色箭头、相似的热的粒子以红色箭头显示,在146 µs,线的热和冷的粒子开始被夹带进来，从而开始新的循环。

图6 （a）激光静止不动时和移动粉末床中的粉末在Ar气 流动时产生的粉末夹带

图解：蒸汽流在低气压区域产生导致向里进入的气体产生粉末夹带，从而形成三个不同的区域1、2、3.（b）为激光移动时非均匀移动造成有蒸汽流尾场形成且大约有三到四个光斑直径的距离远

美国Lawrence Livermore国家实验室的研究人员结合超快熔池影像学和熔池动力学的高分辨率模拟，找到了在激光粉末床金属打印时液态金属驱离熔池（俗称飞溅）的机理，其产生是由于周围气体的流动所造成的粒子夹带，并不是大家通常所认为的在激光焊接中所常见的激光反冲压力所造成的。

人们通常认为（其实是假设，并没有得到证实）激光造成的反冲压力是导致飞溅产生的原因，这是因为在激光焊接的时候是经常发生的。美国Lawrence Livermore国家实验室的研究人员认为：如果我们假设这个理论成立的话，如果在熔池的右边，你可以看到粒子在熔池右边由于反冲压力而驱离，但在大多数情况下粉末粒子一扫而空且被流动的气体所夹带。夹带的粒子还会重新进入激光束作用区并发生熔化，从而导致更多的飞溅发生。

当飞溅的粒子飞离激光熔化的轨道并在部件上返回而着陆时，他们会夹带粉末床中的粉末粒子，从而影响制造层的产品质量，如导致表面粗糙以及在最终的部件产生熔合不充分等。

采用三种不同的高速摄像机，拍照速度可以达到10million照片每秒的拍摄速度。研究人员不仅可以看到由于激光所造成的压力的波形变化和熔池金属的滴剂计数情况，同时还可以观察到粉末床在吮吸气体时所造成的的气体流动，不管此时的粉末床是立即熔化还是激光并不接触时所造成的飞行熔化。

结果证明只有大约15%的熔池飞溅粒子是由于熔池中的类似水泼溅效应所造成的，这就是人们常常所认为的飞溅形成机理。剩下的是冷的粒子穿过熔池之上的激光束产生熔化以及一些其他原因造成的粒子飞溅。但令人惊奇的是，当人们观察商业用激光金属打印机时，你会发现热的粒子飞溅，同时他们更像是由于外部进入的气体所产生的，并不是由于进入的夹带效应所产生的。

图7（a） 水滴滴在软的且细的沙子中的动图 （水泼溅效应 ）

图7（b）水滴在荷叶上的水泼溅效应动态 实物图

高速摄像的结果同高可信度的模拟结果相比较，两者非常吻合，同时也进一步证实了在其他增材制造中所得到的结果，揭示了熔池影响飞溅方向背后的趋势。

相机拍摄并不能详细的展示熔池表面之下所发生的信息，所以只能借助模拟手段来进一步的揭示。模拟结果则展示出激光光斑作用下另外一个不同的景象，这一手段和展示出来的景象可以为我们揭示观察到的实验结果。这是一个模拟结果对实验结果进行有力补充的案例，并且将成为科学研究和讲解科学故事的重要手段。

该研究有助于帮助我们解释激光能量与粉末之间在打印过程中的作用机理，并提高对线性流体模型的改进。基于对作用状况的深入理解，研究人员可以建立其飞溅产生的基准 和减轻飞溅的措施以及如何更有效的利用粉末。

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参考文献

1.部分图片来自：Lawrence Livermore National Laboratory

2.http://www.xcar.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=21591745

文章来源：

y, S., Rubenchik, A.M., Khairallah, S.A. et al. Metal vapor micro-jet controls material redistribution in laser powder bed fusion additive manufacturing. Sci Rep 7, 4085 (2017).

https://doi.org/10.1038/s41598-017-04237-z