作 者
郭耷、Rubén Lambert-Garcia、Samy Hocine、範賢強、Henry Greenhalg、Ravi Shahani, Marta Majkut, Alexander Rack、Peter D. Lee、 Chu Lun Alex Leung
機 構
倫敦大學學院（UCL）
哈韋爾研究中心（Research Complex at Harwell）
英國國家科研與創新中心 （UK Research and Innovation）
歐洲同步輻射光源實驗室（ESRF）
HiETA 科技公司
Constellium 科技公司
Citation
Guo D et al. 2024. Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an AlFe-Zr alloy. Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6, 055601.
免費擷取全文
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4e1d
✦
•
✦
撰稿 | 文章作者
1
文 章 導 讀
雷射粉末床熔融（LPBF）是一種功能強大的增材制造/3D列印（AM）技術。它可以在無模具成本的情況下高效地逐層制造出具有複雜結構的小型金屬元件。相比于傳統的金屬制造技術，LPBF具備超高的設計自由度和精度，是适用于航空航天，機械自動化以及醫學領域的理想技術。然而，雷射工藝的不穩定性導緻了缺陷的形成，尤其是飛濺導緻的表面缺陷，會直接影響制造部件的疲勞性能。由于難以實作滿足嚴格高品質标準的低缺陷、高密度金屬元件，LPBF在各個行業的關鍵應用中受到了阻礙。
飛濺的産生源自于雷射-粉末-液态金屬的互相作用。在LPBF過程中，根據其形成機制發現了四種類型的飛濺：(i)粉末飛濺，(ii)夾帶飛濺，(iii)粉末聚結飛濺，以及(iv)液滴飛濺。當高能的雷射束撞擊粉末床時，局部加熱導緻液體金屬表面汽化，形成高壓蒸汽射流。蒸汽射流産生的反沖壓力導緻金屬液面的向下凹陷（稱作匙孔或者凹陷區）。在雷射-物質互相作用區域，高速向上的蒸汽流将熔池周圍的粉末噴射出去形成粉末飛濺。同時，高速氣流産生的低壓誘導惰性保護氣體向内流動，卷帶粉末顆粒形成夾帶飛濺。高溫使粉末表面局部熔化進而産生聚結，并被保護氣體氣流夾帶形成不規則的大顆粒飛濺。液滴飛濺主要是由不均勻的反沖壓力引起的熔池液面波動，蒸汽壓力克服液體表面張力導緻液體破裂時形成的。
大尺寸的顆粒飛濺，例如液滴飛濺和粉末聚結飛濺，通常被認為是LPBF過程中缺陷生成的主要來源。過大的飛濺可能粘附在增材制造零件的表面上，增加其表面缺陷和粗糙度；它們還可能鑲嵌在後續建造層的粉末床中，導緻因不均勻的能量吸收而熔合不完全，最終産生孔隙。同時，飛濺顆粒可能發生氧化，降低粉末的可回收使用率和可重用性；表面氧化物會抑制顆粒熔合并促進孔隙形成，進而降低LPBF部件的密度。然而，關于小顆粒飛濺對部件缺陷的影響研究卻略顯不足。
目前，大部分研究采用原位高速光學成像，紅外熱成像或者Schlieren成像來捕捉LPBF過程中的動态蒸汽射流和飛濺，但這些成像技術無法同時實作高時間分辨率和高空間分辨率。而同步輻射x射線光源具有極高的時間（高達1MHz）和空間分辨率，這對于高速動态現象（飛濺）的可視化以及細節呈現至關重要。
近期，倫敦大學學院機械工程學院（UCL Mechanical Engineering）Peter D. Lee教授，Chu Lun Alex Leung副教授，郭耷博士後研究員及其團隊在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy》的研究論文，系統介紹了LPBF中飛濺與凹陷區的動态聯系。圖1展示了運用原位高速（40 kHz）同步輻射x射線成像捕捉LPBF中高速飛濺和熔池變化的動态過程。
關鍵詞
飛濺；凹陷區；同步輻射x射線成像；表面缺陷
亮 點
- 通過高速原位x射線成像分析LPBF過程中飛濺與匙孔/凹陷區之間的動态聯系；
- 發現新的飛濺形成機制；即由金屬蒸氣壓力、Kelvin-Helmholtz不穩定性和馬蘭戈尼對流共同作用下于匙孔後緣形成的後緣液滴飛濺；
- 發現新的表面缺陷形成機制；即由雷射-小顆粒粉末飛濺互相作用導緻的表面孔洞，被稱為飛濺引入孔洞；
- 推薦低能量密度（低掃描速度）的金屬3D列印參數，以最小化LPBF的飛濺和表面缺陷形成。
圖1 LPBF過程中原位同步輻射x射線成像裝置的示意圖。
2
研 究 背 景
當使用适當的工藝參數時，LPBF列印的元件在缺陷水準和機械性能方面可以優于鑄件。然而，目前它們的表面品質和缺陷水準可能尚未達到鍛造産品機加工元件的水準。因為鋁的加工相對廉價，且廢料可以高效回收，LPBF的鋁合金元件目前僅在少數細分應用中能替代機加工元件。在工業中，鋁合金LPBF在生産短交期的原型件（如非機加工的備件）或用單個增材制造元件替換複雜的元件系統時變得具有吸引力。
鑄造鋁合金如AlSi10Mg和高強度鋁合金（例如6xxx和7xxx系列）在增材制造應用中可能表現出較差的機械性能或工藝性。為此，Constellium科技公司研究了新型的Al-Fe-Zr合金系統，并在鋁協會注冊為AA8A61.50。該合金設計簡化了LPBF的生産過程。列印後，在400°C下進行4小時的沉澱硬化處理，其元件能達到約300 MPa的峰值屈服強度和高水準的導熱性（180W/m·K）以及導電性（高達30 mS/m）。并且，AA8A61.50的列印元件通常表現出低内部缺陷和低殘餘應力。表面缺陷（或粗糙度）的減少能進一步改善其LPBF元件的疲勞性能，而這些表面缺陷通常與飛濺的形成有關。
綜上，為了更深入了解LPBF中飛濺的形成演變機制， 進而防止它們的形成，UCL團隊運用高穿透，高時間以及空間分辨率的同步輻射光源于動态飛濺的研究。在本文中，UCL團隊對LPBF金屬3D列印中高速飛濺的最新研究進行了詳細的介紹。
3
最 新 進 展
最新進展主要分為四個部分：LPBF原位x射線成像實驗設計以及圖像處理，飛濺的種類與形成機制，動态飛濺的定量分析，新的表面缺陷形成機制分析。
LPBF原位x射線成像實驗設計以及圖像處理。本實驗中使用的裝置是由UCL團隊研發定制的LPBF雷射3D列印裝置，稱為Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）。如圖2所示，該裝置由四個RenAM 500Q（英國Renishaw公司）雷射掃描頭、高速錄影機以及一個充滿氩氣保護氣體的工作室組成。其雷射功率最高可達500瓦，可還原工業級别的LPBF列印參數。原位實驗前，一個厚度為1毫米、高度為15毫米的基闆被鑲嵌在兩片極薄的玻璃碳窗片之間，并安裝在工作室中。料鬥在基闆上自動沉積一層薄薄的粉末（約為60微米）。在原位x射線成像實驗中，雷射同步運作以模拟LPBF中加工薄粉末層的過程，參照視訊1中的示例。
圖2 定制裝置Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）的示意圖。
，時長00:10
視訊1 原位x射線成像實驗中Quad-ISOPR模拟LPBF的過程。
原位實驗在歐洲同步輻射光源實驗室（ESRF）的高速成像光束線ID19上進行。該光束線使用兩個U32擺動器産生多色硬X射線束，平均能量約為30 keV。當入射光束通過樣品和封閉在兩側的玻璃碳窗後，衰減的X射線被LuAG: Ce閃爍體轉換并發出可見光。可見光圖像通過5倍物鏡放大，然後由高速相機（Photron FASTCAM SA-Z 2100 K，日本Photron公司）以40 kHz的幀率捕獲。本次實驗的視場（FoV）為1024像素（寬）× 512像素（高），各向同性像素大小為4.3 微米。
擷取的原始射線圖像均使用ImageJ和MATLAB©進行處理。首先使用公式=0/ 對圖像進行平場校正。為了去除靜止物體，應用了自定義的背景減除。之後通過應用高斯濾波器和手動門檻值對固體飛濺和液滴顆粒進行分割。最後使用ImageJ中的TrackMate插件，通過應用掩模檢測器和進階卡爾曼跟蹤器，對飛濺顆粒運動進行跟蹤和量化（參見視訊2中的示例）。每條軌迹上識别出的顆粒的最大幀數設定為3幀。為了捕捉穩态匙孔或凹陷區形态，使用Python腳本對背景去除後的圖像重新框定以聚焦于熔池區域。
，時長00:04
視訊2 LPBF過程中對固态和液滴飛濺顆粒的追蹤。
飛濺的種類與形成機制。如圖3所示，我們對LPBF過程中的五種飛濺顆粒進行了分類，并根據其形成機制将其劃分為：固态粉末飛濺、固态夾帶飛濺、粉末聚結飛濺、噴射液滴飛濺和大液滴飛濺。其中前4種飛濺的形成機制詳解于文章導讀章節。除此之外，我們發現了新的液滴飛濺的形成機制（稱為後緣液滴飛濺）。如圖3（d-g）所示，在匙孔熔化條件下，馬蘭戈尼對流将匙孔底部附近的液态金屬推向上部熔池表面。強烈的蒸汽流（藍色實箭頭）會在匙孔後壁産生蒸汽壓力。金屬蒸汽和液态金屬之間的速度和密度差異在氣-液界面處引起擾動，即Kelvin-Helmholtz不穩定性。Kelvin-Helmholtz不穩定性和馬蘭戈尼對流（紅色虛線箭頭）的共同作用促使在後緣處形成一個大的液體突起。當蒸汽射流繼續與突起持續互相作用時，它會使液态金屬過熱并降低其表面張力，形成一個縮頸區。一旦蒸汽壓力克服了縮頸區的表面張力，大的液滴就會脫離并被蒸汽射流噴射出去形成後緣液滴飛濺。
同時，我們定量分析了飛濺顆粒的尺寸和數量，其中飛濺尺寸分布與線性能量密度（）之間沒有相關性。然而，固體或液滴飛濺顆粒的數量與之間卻存在強正相關性。是以，我們推導出以下公式來預測AA8A61.50在LPBF過程中飛濺顆粒的數量：
固态飛濺：
液滴飛濺：
這兩個公式均可用于未來LPBF中飛濺模型的驗證以及設計新的列印參數以達到飛濺最小化。
圖3 LPBF中飛濺顆粒的分類與形成機制：（a-b）用不同顔色區分的5種飛濺粒子類型；(c)飛濺形成機制的示意圖；（d-g）後緣液滴飛濺的形成機制；（h）固态飛濺、液滴飛濺和粉末聚結飛濺的直徑分布；（i）固态飛濺、液滴飛濺和粉末聚結飛濺的圓度分布；（j）不同線性能量密度下的固态飛濺和液滴飛濺的數量和直徑。
動态飛濺的定量分析。為了了解在不同掃描速度和雷射功率下的飛濺動态，我們在LPBF過程中追蹤并量化了固态飛濺以及液滴飛濺顆粒的軌迹角度和速度。同時我們還将将飛濺的動能與輸入的雷射能量進行比較，以估計飛濺生成過程中消耗的能量百分比（PE）。
圖4展示了不同雷射功率和掃描速度下飛濺顆粒的運動軌迹角度、速度以及消耗能量百分比，并與相對應的匙孔/凹陷區形态進行比較。研究結果表明匙孔/凹陷區形态對于飛濺顆粒的軌迹角度影響較大。而線性能量密度與飛濺速度/動能之間呈正相關，這是因為較高的線性能量密度（較高雷射功率或較低掃描速度）會在LPBF過程中引起更多的金屬汽化和更高的蒸汽壓力。同時，較高的掃描速度有利于減少夾帶粉末飛濺的産生。
綜上，我們建議在雷射功率為420瓦的情況下，使用更快的掃描速度（>1米/秒），以使得AA8A61.50合金在LPBF列印過程中減少整體飛濺數量,飛濺速度和粉末夾帶。
圖4 LPBF過程中的動态飛濺的定量分析：（a，b）飛濺顆粒運動軌迹角度；（c, d）飛濺顆粒速度和能量消耗百分比；（e，f）匙孔/凹陷區形态。
新的表面缺陷形成機制分析。先前大量研究表明，大液滴飛濺可能會被困在列印層之間，導緻雜質和孔隙，進而對LPBF産品的性能産生不利影響。通過對x射線圖像的逐幀分析，我們發現了由小顆粒固态飛濺導緻的新的表面缺陷的形成機制（稱為飛濺引入孔洞）。
圖5（a-f）展示了飛濺引入孔洞的形成機制。一個約36微米的前向飛濺顆粒首先被噴射到雷射掃描路徑中，然後在雷射輻射力（Frad）作用下改變其軌迹方向，高速飛向粉末床（稱為雷射-飛濺互相作用）。在飛濺與粉末床碰撞時，引起更多的粉末飛濺并在雷射束前方形成一個局部裸露區，雷射熔化後在最終列印層中形成一個表面孔洞。同時圖5（g-h）表明，較小的匙孔/凹陷區前壁角度會産生最少的前向飛濺顆粒，進而降低雷射-飛濺互相作用的機率。最終減少表面孔洞産生的可能性并改善表面品質（即低表面粗糙度）。
圖5 LPBF過程中的表面缺陷的新形成機制：（a-f）飛濺引入孔洞形成機制；（g-h）雷射-飛濺互相作用頻率、表面粗糙度、匙孔前壁角度和飛濺軌迹角度之間的關聯。
4
未 來 展 望
由于高速成像技術時間或空間分辨率的限制，目前對于LPBF金屬3D列印過程中動态飛濺的了解和認知還稍顯不足。本文應用高速同步輻射x射線成像技術在新合金AA8A61.50 LPBF列印過程中進行了飛濺顆粒的動态研究，證明了同步輻射光源在高速動态現象研究中的潛在應用價值。是以，我們認為未來LPBF中飛濺研究的發展方向應側重于利用同步輻射光源對不同合金（例如在增材制造應用廣泛的不鏽鋼、钛合金、鎳合金、鋁合金等）在LPBF列印過程中産生的飛濺進行定量分析。最終實作LPBF金屬3D列印飛濺最小化以及表面品質最優化。
5
作 者 簡 介
Peter D. Lee
倫敦大學學院
Peter D. Lee分别于1986年和1989年在多倫多大學獲得工程材料學士學位和碩士學位，并于1995年在牛津大學獲材料科學博士學位。他是英國皇家工程院機械工程學部新興技術主席和材料科學教授。他在工業界（1988-1993年于阿爾肯國際公司）和學術界（1994-2011年于帝國理工學院，2011-2018年于曼徹斯特大學，2018年至今于倫敦大學學院）從事微觀結構表征和模組化工作已超過30年。他的研究成果已發表超過350篇論文，并且他上司了多個由英國研究委員會、工業界和歐盟資助的大型項目。這些研究成果獲得了20多個重要獎項的認可，包括格倫費爾德獎章和獎金、皇家學會保羅儀器基金獎以及衆多最佳論文獎。2013年，曼徹斯特大學因Peter共同指導的“新x射線成像技術在能源、交通和其他行業的應用”工作，被授予女王高等教育周年紀念獎。
Chu Lun Alex Leung
倫敦大學學院
Chu Lun Alex Leung是倫敦大學學院機械工程系先進制造學院副教授（2023年至今），并擔任哈韋爾材料、結構與制造研究組的聯合主任。他的工作得到了全球多個大型國家實驗室的認可，包括英國同步輻射光源（DLS）、歐洲同步輻射光源（ESRF）、STFC雷射中心（CLF）等。在此之前，他在曼徹斯特大學和倫敦大學學院擔任博士後研究員，研究“用于研究增材制造的多模态成像技術的發展”。在開始研究所學生涯之前，他曾在英國鋼鐵公司（前身為塔塔鋼鐵歐洲）工作，擔任技術研究所學生教育訓練生（2010-2011）和新産品開發項目經理（2011-2013）。除了他的工業經驗，他還獲得了由帝國理工學院和皇家藝術學院資助的倫敦設計獎學金（2009-2011），并利用可定向光技術開發了一款産品原型。2011年，他于帝國理工學院材料系獲得了航空航天材料一等榮譽學位（MEng）及大衛·韋斯特獎。
郭 耷
倫敦大學學院
郭耷分别于2018和2023在曼徹斯特大學獲得工程材料科學碩士和博士學位。目前他在倫敦大學學院機械工程系以及哈韋爾材料、結構與制造研究組擔任博士後研究員（2024至今），研究“同步輻射x射線成像及衍射技術在增材制造的應用”。同時他參與并共同主導歐盟資助的大型項目“用于高精度增材制造的新型鋁合金設計”。
來自：Editorial Office 極端制造 IJEM
歡迎大家參加長三角G60雷射聯盟舉辦的活動：
雷射智造在新能源汽車中的應用：
2024年7月29日-31日，安徽合肥豐大國際大酒店
歡迎您參會、歡迎參展！