清华 l 激光粉末床熔化过程中的金属汽化及其影响

| 3DScienceValley · 2022/04/10

增材制造(AM)，是一种用于三维(3D)数字模型切片逐层叠加制造物理对象的过程。其中粉末床熔化(PBF)因其高尺寸精度和可靠的机械性能，在精密金属零件的生产中占据主导地位。由于聚焦激光束的能量输入导致熔池温度升高，金属粉末熔化，并且还会发生大量汽化现象，降低LPBF成型零件的质量。

近日，清华大学的温鹏课题组等人针对LPBF过程中金属汽化的影响和机理进行了全面的研究总结。该研究发现，金属汽化主要取决于熔池和周围气氛的温度，并在很大程度上影响成型过程中能量、动量和质量的传递。粉末剥落、羽流、飞溅、未熔合和气孔等关键形成问题与金属汽化密切相关。为了抑制金属汽化导致的负面影响，需要有足够的能量输入和优化的循环气氛。此外，汽化副产物也可用于质量监测，并可定量检测元素的汽化损失，从而调节组成分布。

本期谷.专栏将分享这项研究的核心内容。

相关研究发表在Materials & Design

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110505

研究要点

对于一般的LPBF过程，大量的汽化现象主要体现为粉末剥落、羽流、飞溅和小孔孔洞等加工现象（图1-4）。通过原位同步辐射X射线成像可以直接观察到在各个加工条件下小孔的存在（图5）。在LPBF过程中能量输入引起熔池内的高温，并对汽化和小孔的产生进行了解释。在小孔的产生的过程中，能量强度Ei(Ei=4P/πd2)起主导作用。一般能量强度在106W/cm2以上可以获得良好的融合质量和高的尺寸精度。

图1 （a）LPBF期间的汽化及其产物以及（b）通过纹影成像汽化羽流

图2 粉末剥蚀：（a）放大图像，（b）具有不同能量输入的图片，（c）高速成像结果，（d）模拟结果

图3 通过高速成像观察到的飞溅：（a）和（c）光学和（b）X射线图片

图4 LPBF工艺的典型缺陷：（a）缺乏熔融和气体诱导的孔隙率以及（b）匙孔诱导的孔隙率

图5 在Ti6Al4V板LPBF期间通过X射线成像观察到的匙孔：（a）P-V图上的匙孔形貌，匙孔和熔池过渡中的变化用蓝色和红色虚线标记；匙孔深度作为激光功率在不同扫描速度下的函数，激光光斑尺寸为95μm（b）和140μm（c），匙孔形貌及其所得熔池为红色，激光光斑尺寸为140μm，固定激光照射下激光功率为156W

LPBF过程中金属的汽化主要取决于激光能量输入、材料性质和加工气氛。它随着激光能量输入的增加（图5）和加工压力的降低（图6）而增大。低沸点的金属有很高的汽化倾向，如锌、镁、铝、锰及其合金（图7）。金属汽化对粉末剥落、羽流、飞溅、未熔合、气孔和合金元素的损失具有决定性的影响（图1-4）。对于稳定的LPBF工艺，需要有足够的激光能量输入（图8）和高效的气体循环系统（图9），以抑制汽化的负面影响，获得稳定的成形质量。另外，汽化副产物可用于质量监测，并可定量检测元素的汽化损失，以调节组成分布。（图10）

图6 加工压力（a）和成分（b）-（e）对LPBF工艺的影响

图7 （a）饱和蒸气压，以及（b）各种纯金属的汽化通量

图8 激光能量对LPBF孔隙率的影响：(a)纯锌和Ti6Al4V的加工窗口，(b)Ti6Al4V的小孔孔隙率，(c)与转折点不同距离处的孔深，以及(d)抑制孔隙率的功率图

图9 (a)无气体循环系统的镁合金LPBF过程中的汽化羽流，以及(b)和(c)有气体循环系统的纯锌LPBF过程中的汽化羽流

图10 (a)和(b)飞溅的图像和相应的矢量图形，以及(c)-(f)各种轨迹和相应的声音信号

金属汽化影响LPBF过程中的质量、能量和动量的传递。合金元素的不同汽化损失可能会导致原始粉末和最终粉末之间的成分发生很大的变化，从而导致意料之外的组织和性能（图11）。汽化潜热对熔池有相当大的冷却作用。反冲压力导致熔池内小孔的形成。这样的小孔大大增加了激光能量的吸收率，并导致熔池内的强化流体流动。汽化冷却效应和强化对流在很大程度上决定了熔池的温度分布，而反冲压力决定了熔池中的流体流动（图12）。

图11 不同能量输入下的成分变化：(a)Ti6Al4V，(b)AA5083，(c)AZ91D，(d)ZK60

图12 熔池中的温度和流体流动：(a)和(b)在没有考虑汽化冷却的情况下的过高温度，(c)和(d)在没有考虑小孔引起的吸收率增加的情况下的过低温度，(e)通过热辐射测量的单个激光脉冲期间的表面温度序列，以及f)和(g)考虑小孔的影响。

合适的汽化模型是LPBF过程数值模拟的关键。目前大多数的汽化模型都是基于Knight模型。Anisimov等人通过使用汽化通量（通常为0.82）和反冲压力的恒定凝结系数（通常为0.54），简化了Knight模型。利用Anisimov方法，大多数LPBF过程的数值模型都考虑了汽化冷却和反冲压力的影响。然而，这种方法忽略了大气和成分变化的影响。此外，汽化模型的精度取决于边界条件，包括温度以及熔池内的流动行为。

图13 汽化模型：(a)普通和近真空大气中的流动结构；(b)汽化系数与马赫数的函数；(c) Knudsen层

图14 LPBF的两种汽化模型的比较：（a）纯铁的反冲压力，以及（b）和（c）Ti6Al4V在1个大气压和298 K下的汽化;（d）Ti6Al4V在1个大气压和298 K下的锁孔深度，以及（e）在0.0002个大气压和298 K下的汽化模型;（f） z方向的反冲压力

总结

随着激光粉末床熔合（LPBF）的推广应用，LPBF过程中的汽化及其影响越来越受到人们的关注。综上所述，论文作者从机理，影响和数值模拟三个方面对LPBF过程中的金属汽化现象进行了全面的总结，并列出了控制和利用LPBF过程中金属汽化现象的措施和方法，并指出LPBF过程中金属汽化研究的主要问题及其发展前景。

l 论文信息

Liu Jinge, Wen Peng. Metalvaporization and its influence during laser powder bed fusion process[J].Materials & Design, 2022: 110505.

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