摘要：根據(jù)需求生產(chǎn)復(fù)雜高性能金屬零件的能力已經(jīng)建立了激光粉末床熔合(LPBF)作為一種有前途的增材制造技術(shù)，但對激光-材料相互作用的深入了解對于開發(fā)該工藝的潛力至關(guān)重要。通過原位同步X射線和紋影成像，我們直接探測了由激光形成的蒸汽射流及其在熔池中產(chǎn)生的凹陷的相互關(guān)聯(lián)的流體動力學(xué)。綜合成像顯示在穩(wěn)定的表面洼地上形成了穩(wěn)定的羽流，在過渡到完整的鎖孔后變得混亂。通過分析小孔和羽流形態(tài)，我們量化了多個(gè)參數(shù)集的過程不穩(wěn)定性，并確定了穩(wěn)定線掃描所需能量輸入的先前未報(bào)道的閾值。探討了粉末層的作用及其對工藝穩(wěn)定性的影響。這些控制LPBF的流體力學(xué)的高速可視化使我們能夠識別與不需要的孔隙率相關(guān)的不利過程動力學(xué)，有助于在更高功率和速度下設(shè)計(jì)過程窗口，并為過程穩(wěn)定性的過程監(jiān)測提供潛力。

簡介

激光粉末床熔合(LPBF)是金屬部件增材制造(AM)最常用的方法，能夠生產(chǎn)具有無與倫比的設(shè)計(jì)自由度和材料性能的定制部件，與使用傳統(tǒng)方法制造的部件相當(dāng)，甚至更好。然而，由于加工中通常使用的高能量，激光-材料相互作用導(dǎo)致金屬襯底和粉末的快速熔化和蒸發(fā)。這種交互是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，需要對大量變量進(jìn)行控制，以確保過程的穩(wěn)定性，并最終在一段時(shí)間內(nèi)或跨構(gòu)建平臺連續(xù)生產(chǎn)成功的部件。

對增材制造中涉及的物理的基本理解可以幫助調(diào)整這些加工參數(shù)。已經(jīng)表明，熔體池和誘導(dǎo)蒸汽射流的行為是高度可變的，導(dǎo)致幾種不同的流體動力學(xué)狀態(tài)。此外，這些狀態(tài)還決定了與粉末顆粒的相互作用，這是工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵組成部分，影響零件質(zhì)量和結(jié)構(gòu)缺陷(例如孔隙率)。雖然通過對液態(tài)金屬、粉末顆?；蛘羝麊为?dú)的行為進(jìn)行成像，在理解和表征這些動力學(xué)方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但還沒有直接觀察到它們的相互作用和聯(lián)合運(yùn)動。

在本文中，我們提出了同步紋影和X射線透射成像，這使得在LPBF中物質(zhì)的所有相之間的相互作用同時(shí)可視化。特別地，紋影系統(tǒng)的高放大倍數(shù)允許在不同的激光參數(shù)下直接成像從熔池洼地冒出的蒸汽射流;我們揭示了鎖孔內(nèi)不穩(wěn)定性的開始導(dǎo)致激光羽流從穩(wěn)定流過渡到混沌流。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致大氣折射率的變化，即使沒有x射線成像，折射率也是可以測量的。系統(tǒng)圖像分析使我們能夠識別Ti-6Al-4V合金中這種不穩(wěn)定性開始的閾值輸入能量密度。我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)條件下，粉末的引入提高了鎖孔的穩(wěn)定性，并略微提高了閾值輸入能量密度。這項(xiàng)成像研究可以更直觀地理解控制LPBF的流體動力學(xué)，通過建立熔體池和蒸汽射流之間的互連性以及它們對羽流的綜合影響，有助于解釋LPBF的現(xiàn)場診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值模擬。

結(jié)果

熔池和羽流動力學(xué)的耦合

為了對液態(tài)金屬的運(yùn)動和由釋放的蒸汽引起的下降進(jìn)行成像，高能同步加速器X射線穿過~400 μm厚的Ti-6Al-4V樣品，這些樣品由先進(jìn)光子源的32-ID-B光束線的LPBF過程模擬器內(nèi)的玻璃碳載玻片固定。Ar大氣中蒸汽和空氣中的粒子的運(yùn)動通過紋影成像可視化，通過取光鏡(M1, M2)將光束折疊成與x射線束φ ~ 2°的角度，從而產(chǎn)生幾乎同軸(與x射線束)的過程視圖(圖1)。

圖1:同軸光學(xué)和X射線實(shí)驗(yàn)裝置的過程視圖。

實(shí)驗(yàn)首先在Ti-6Al-4V襯底上進(jìn)行，只是為了提供沒有粉末的工藝的基線比較。圖2顯示了功率密度Φ = 1.3 MWcm?2的固定激光照明(λ = 1070±10 nm)下表面凹陷和相關(guān)蒸汽射流和羽流的演變。最初，激光光斑下的表面迅速加熱到超過Ti - 6al - 4v (3133 K)的沸點(diǎn)，Al和Ti的蒸汽壓增加，并向上釋放蒸汽射流。圖2a顯示了這種流在Ar大氣中的傳播，因?yàn)樗鼛е車臍怏w，形成了一個(gè)特征的激光羽流。折射率梯度勾勒出羽流和大氣之間的界面，這與流體中的密度梯度成正比。這些密度梯度是由下面的壓力和溫度場引起的，除了蒸發(fā)物種的濃度。紋影的特征比背景更暗或更亮，表明漸變符號的變化。在圖像的底部，在正負(fù)折射率梯度之間，可以在羽流的核心識別出蒸汽射流。當(dāng)從液-氣界面(LVI)噴射出的熱金屬蒸汽冷卻時(shí)，納米顆粒通過成核和冷凝形成，并在向上傳播時(shí)通過持續(xù)氧化、凝固和團(tuán)聚等過程增大尺寸。高濃度的納米顆粒(即煙霧)阻擋了LED的入射寬帶光，產(chǎn)生了追蹤流體運(yùn)動的暗線。在環(huán)境介質(zhì)和羽流之間的頂部界面，由于懸浮粒子，可以觀察到一個(gè)環(huán)形渦，驗(yàn)證了最近的數(shù)值模擬。這種結(jié)構(gòu)類似于爆炸產(chǎn)生的蘑菇云或液體中上升的氣泡，主要是快速移動的流體和靜態(tài)大氣之間產(chǎn)生粘性應(yīng)力的結(jié)果，導(dǎo)致流體沿著運(yùn)動方向向外彎曲。圖2b顯示了該時(shí)刻對應(yīng)的x射線圖像;由于蒸汽壓力的反沖，在熔融體上只形成了一個(gè)輕微的表面凹陷。值得注意的是，由于蒸汽噴射的速度高達(dá)數(shù)百m s?1，在任何顯著的表面洼地之前都存在大量的羽流。蒸汽噴射消散后，圍繞著周圍的氬大氣產(chǎn)生了由于凈積累動量而上升的羽流。

圖2:功率P = 72 W，1/e2直徑d = 84 μ m的固定激光光斑下凹陷和羽流的時(shí)間演化，僅對襯底(無粉末)對應(yīng)的功率密度為Φ = 4 P/πd2= 1.3 MWcm?2。

激光再照射0.48 ms后，表面凹陷繼續(xù)加深(圖2d)。由于蒸汽在表面上的壓力分布，其深度的發(fā)展是逐漸的，呈拋物線狀。從該表面噴出的蒸發(fā)物質(zhì)的射流是穩(wěn)定的，因此大氣流看起來是恒定的(圖2c);這種穩(wěn)定的羽狀物在向上傳播時(shí)膨脹。隨著時(shí)間的推移，表面凹陷加深(圖2f)， LVI的振蕩標(biāo)志著向鎖孔的轉(zhuǎn)變。鎖孔的蒸汽發(fā)射表面受到擾動，改變了蒸汽射流和羽流的方向(圖2e)。鎖孔形狀的突然變化對應(yīng)著流動結(jié)構(gòu)更明顯的波動。圖2e的密度梯度強(qiáng)度與前幾幀相比明顯升高:背景強(qiáng)度與前幾幀相比保持不變，說明蒸汽的溫度和濃度增加了。這一觀察結(jié)果與激光吸收隨凹陷深度增加而增加的測量結(jié)果以及激光鉆入材料時(shí)鎖孔壁上高溫區(qū)域的計(jì)算結(jié)果一致。

圖2h顯示了一個(gè)完全形成的鎖孔，其表面根據(jù)蒸汽壓、表面張力、重力、蒸汽流阻力和液態(tài)金屬體積內(nèi)累積動量的相互作用不斷波動。結(jié)果，羽流被完全破壞(圖2g)，并且可以觀察到更加混亂的流動。盡管有這種不穩(wěn)定性，動量仍然主要是向上的，但由于渦流的形成，流動(和煙霧分布)更加擴(kuò)散。

雖然在大氣中觀察到的渦流和混亂混合的形成部分滿足湍流的標(biāo)準(zhǔn)，但紋影系統(tǒng)的空間分辨率不足以表征更精細(xì)的流動結(jié)構(gòu)，例如蒸汽射流或煙霧流的核心，因此沒有足夠的證據(jù)來表征任何時(shí)候的流動是“層流”或“湍流”。此外，很難根據(jù)雷諾數(shù)(Re)來預(yù)測蒸發(fā)射流的行為，因?yàn)門i和Al蒸汽缺乏可靠的熱物理性質(zhì)，無法對Ti - 6al - 4v進(jìn)行有意義的Re估計(jì)，此外微射流動力學(xué)的可變性進(jìn)一步使其解釋復(fù)雜化。然而，LPBF中Fe蒸汽的數(shù)值模擬得到了Re ~ 300，因?yàn)樯淞髦睆叫?，射流速度快，溫度?這與實(shí)驗(yàn)顯示的亞音速微射流在Re > 450處經(jīng)過短傳播長度后突然擊穿是一致的，這在我們的實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到。

圖2表明，熔池動態(tài)行為可分為三個(gè)階段，對應(yīng)于表面凹陷和激光羽流的穩(wěn)定形成和增長(階段I)，該階段過渡到亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，此時(shí)LVI受到擾動，但其形狀恢復(fù)(階段II)，最終，由于持續(xù)波動的鎖孔而導(dǎo)致不穩(wěn)定的熔化和羽流(階段III)。我們有意避免使用術(shù)語傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)變和鎖孔制度。通常用于表征激光焊接和LPBF中熔池的非原位顯微照片，但對于這些原位鑰匙孔和激光羽流測量可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。傳導(dǎo)模式熔池包含一個(gè)穩(wěn)定的“鑰匙孔”凹陷，即使功率密度遠(yuǎn)低于那些通常用于LPBF。隨著功率密度的增加，穩(wěn)定凹陷深度增加，產(chǎn)生過渡模式熔池，熔池在深度方向上被拉長，最終形成更深的鎖孔模式熔池，盡管沒有單一的測量方法從哪里開始。在描述鎖孔和激光羽流不穩(wěn)定性的第二階段和過渡模式熔池截面的狀態(tài)之間，功率密度范圍可能有一些重疊，但不期望或要求這些對過程不同方面的定性描述完全一致。

通過測量X射線圖像中的凹陷深度，以及X射線和紋影數(shù)據(jù)集中連續(xù)圖像之間的平均強(qiáng)度差(如圖3所示)來檢查鎖孔的演變。無論是深度還是強(qiáng)度差，變異性的持續(xù)增加，都表明熔池隨著時(shí)間的推移逐漸趨于不穩(wěn)定。熔池的階段可以被區(qū)分，因?yàn)橛鹆髦械牟环€(wěn)定水平明顯(圖3b)，與增加的鎖孔振蕩相匹配。因此，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定時(shí)期之間的同步中，液體和蒸汽相的強(qiáng)耦合是明顯的。紋影數(shù)據(jù)在階段I中的孤立峰值是由于圖2a所示的激光羽流的初始建立。在靜止激光下，只要激光功率密度足夠高，熔池將始終經(jīng)歷這些階段;當(dāng)然，鎖孔形成并最終變得不穩(wěn)定所需的時(shí)間取決于總能量輸入。

圖3:蒸汽降低演化分析。

鎖孔穩(wěn)定性的輸入能量密度閾值

掃描激光束會引起額外的激光能量耗散，改變?nèi)鄢貎?nèi)的動量平衡，從而影響熔池的穩(wěn)定性。同時(shí)對無粉襯底進(jìn)行線掃描成像，改變功率密度和掃描速度(圖4)。對于每個(gè)激光功率，圖中顯示了在t1和t1+ 40 μs時(shí)間捕獲的連續(xù)兩幀，其中熔池在掃描長度為~ 2mm后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以證明鎖孔凹陷和激光羽流在每種情況下的相對穩(wěn)定性。

圖4:在不同輸入能量密度的單線掃描過程中，僅可見Ti-6Al-4V襯底(無粉末)和Ar環(huán)境。鎖孔邊界輪廓在x射線圖像中以紅色突出顯示，與紋影圖像在同一尺度上。a在低能量輸入下，凹陷的形狀保持不變，從輻照表面發(fā)射出穩(wěn)定的蒸汽射流，形成穩(wěn)定的羽流。b當(dāng)E < 70 GJ m?3時(shí)，低壓仍然處于階段II, LVI的微小波動擾動了羽流，但流動模式仍然存在。由于(c)低掃描速度或(d)高功率密度導(dǎo)致的高輸入能量密度導(dǎo)致III階段帶有混沌羽流的洼地。在補(bǔ)充資料中有一段帶有圖中所用圖像的視頻。

當(dāng)激光功率較低，掃描速度較高時(shí)(圖4a)，能量密度E ~ 27 GJ m?3的耗散速度較快，熔池仍處于I階段;表面凹陷較淺，但形狀保持不變。蒸汽噴射明顯垂直于輻照表面，主要是凹陷的前壁。由于LVI的不變性，射流的角度和誘導(dǎo)的大氣流隨時(shí)間保持不變。當(dāng)輸入能量密度增加到E = ~69 GJm?3時(shí)，鎖孔變深變長，但后壁呈周期性波動(圖4b)。由于掃描運(yùn)動的散熱防止了LVI變得不穩(wěn)定，因此凹陷只受到微弱的擾動;因此，羽流的穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)得以保留。由于激光功率較高，在羽流內(nèi)可見到較高的蒸汽含量，并且在鎖眼上方出現(xiàn)明亮區(qū)域。這一明亮區(qū)域歸因于熱蒸汽和冷凝物(煙霧)發(fā)出的熱輻射:反射或散射效應(yīng)被排除，因?yàn)?070 nm輻射被KG-5玻璃嚴(yán)重過濾。

在圖4c中，與圖4b相比，激光功率密度降低了33%，但掃描速度降低了45%，從而獲得了更高的能量密度E = ~ 82 GJm?3。在這種情況下，觀察到III級熔池，具有更強(qiáng)的振蕩、鎖孔壁的頻繁坍塌和由于從鎖孔中出現(xiàn)的復(fù)雜蒸汽流模式而導(dǎo)致的激光羽流中幾個(gè)不連接的密度梯度。當(dāng)入射激光功率密度增加2.1倍時(shí)，熔池變得更加動態(tài)，并產(chǎn)生更深、強(qiáng)烈振蕩的小孔(圖4d)。在t = t1處激光羽流中觀測到的白色條紋再次歸因于由于入射激光束與煙霧相互作用而產(chǎn)生的熱輻射。

許多類似于圖4的實(shí)驗(yàn)分別在203-442 W和0.2-1.5m s?1范圍內(nèi)對1/e2束直徑為84μm和99μm的激光功率和掃描速度進(jìn)行組合。鎖孔邊界的自動邊緣檢測，使其面積計(jì)算在每一張圖像。平均面積，用誤差條表示每個(gè)序列中所有圖像的標(biāo)準(zhǔn)偏差，與圖5a中的能量密度對應(yīng)。面積測量表明可能的鎖孔形態(tài)范圍很廣，即使在低輸入能量密度下也會形成相對較大的凹陷。然而，標(biāo)準(zhǔn)差的快速增加直接與熔池和LVI不穩(wěn)定性的增加有關(guān)。不穩(wěn)定程度再次通過鎖孔和激光羽的連續(xù)圖像之間的強(qiáng)度差來量化，并通過每個(gè)序列中的所有差值圖像進(jìn)行平均(圖5b)。對于x射線數(shù)據(jù)，平均強(qiáng)度差線性增加，如最小二乘擬合所示，表明不穩(wěn)定水平隨輸入能量密度而增加。然而，對于紋影數(shù)據(jù)，在E < 70 GJm?3的實(shí)驗(yàn)中，變率僅線性增加，超過該值后，變率會顯著增加，且不再與能量密度線性相關(guān)。當(dāng)E < 70 GJm?3時(shí)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了穩(wěn)定的羽流和凹陷，而當(dāng)能量超過該能量時(shí)，則觀察到具有非常凹陷的混沌流。

圖5:不同輸入能量密度下熔池/羽流穩(wěn)定性的測量。

我們使用的輸入能量密度的定義使得預(yù)測凹陷大小的方法大大簡化，并為在70 GJm?3處觀察到的鎖孔穩(wěn)定性閾值提供了物理基礎(chǔ)。先前已經(jīng)表明，凹陷穿透深度D與激光功率成線性比例，但在每次掃描速度和光束直徑的組合下獲得了不同的線。將這種穿透與鎖孔前壁的角度θ聯(lián)系起來的幾何模型也得到了驗(yàn)證。在該模型中，tan tanθ=D/ d =vdrill/v，其中vdrill是固定激光點(diǎn)鉆入材料的速率。將前壁角與功率密度的關(guān)系再次繪制出來，為掃描速度和光束直徑的每一個(gè)組合繪制出一條單獨(dú)的線。因此，很難將這些信息用于參數(shù)選擇，或解釋整個(gè)參數(shù)空間內(nèi)熔池狀態(tài)的變化。

在x射線圖像中測量鎖孔深度和前壁角度，并與輸入能量密度繪制圖(圖6a, c)。測量的深度用于計(jì)算相應(yīng)功率密度范圍內(nèi)的鉆速(圖6b)。直線表示深度和鉆速的最小二乘線性回歸。利用擬合線的梯度，可以預(yù)測每個(gè)能量密度下的前壁角:與這些點(diǎn)擬合的最小二乘曲線如圖6c所示。立即可以看到，輸入能量密度為所有測試的激光功率、掃描速度和光束直徑的深度和前壁角度提供了一條單線，現(xiàn)在可以用于工藝參數(shù)的選擇。

圖6:無粉末和有粉末實(shí)驗(yàn)中激光線掃描時(shí)凹陷形態(tài)的測量。

對Ti-6Al-4V吸收率A的時(shí)間平均測量表明，當(dāng)15≤E≤200 GJm?3時(shí)，A從0.3增加到0.7，而總吸收能量密度EA隨E線性增加(見補(bǔ)充材料)。觀察到的凹陷深度隨E的線性縮放(圖6a)表明，隨著E的增加，額外吸收的能量補(bǔ)償了熔池中各種熱物理和流體動力學(xué)效應(yīng)造成的更大的能量損失。我們觀察到凹陷的前壁角在E = ~70 GJm?3附近急劇增加，此時(shí)前壁角接近70°。根據(jù)穩(wěn)定性分析(圖5)，這種前壁角的快速上升是過渡到III階段凹陷的特征。這一測量結(jié)果與最近鎖眼動力學(xué)的數(shù)值模擬相一致，表明傾角從65°增加到75°，在掃描凹陷內(nèi)引發(fā)多次反射和局部激光吸收的動態(tài)變化，導(dǎo)致復(fù)雜的熱毛細(xì)現(xiàn)象和蒸汽反沖壓力，導(dǎo)致鎖眼形成不穩(wěn)定。

Ar橫流的影響

在LPBF過程中，激光束與工藝副產(chǎn)物(如煙霧和飛濺的顆粒)的相互作用可導(dǎo)致制造零件中的缺陷。在這項(xiàng)研究中，線焊和點(diǎn)焊是在靜態(tài)氬氣氛中進(jìn)行的，使用紋影系統(tǒng)以確保在每次實(shí)驗(yàn)之前沒有煙霧。然而，在商業(yè)LPBF機(jī)器中，經(jīng)常引入層流Ar橫流來從掃描區(qū)域提取工藝副產(chǎn)物。為了避免對粉末層的破壞和大氣湍流，這種流動的典型峰值速度為幾m?s?1級，因此與激光-材料相互作用產(chǎn)生的力相比，施加在熔池上的對流冷卻和滯流壓力是二級效應(yīng)。因此，在數(shù)值中尺度模型中，這種流動在很大程度上被忽略了，而沒有在商業(yè)LPBF室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)往往依賴于自然對流來提取煙霧。然而，由于本研究中的動力學(xué)涉及熔池上方的大氣效應(yīng)，因此必須考慮這種流動的影響，以確定結(jié)果對實(shí)際LPBF過程的適用性。

圖7展示了在一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，在一個(gè)開放架構(gòu)LPBF系統(tǒng)中記錄的SS316的示例數(shù)據(jù)。使用了相同的紋影裝置，但設(shè)置為更寬的視野，以便橫向流對激光羽流的影響是可見的。對于橫流(圖7a)，羽流向上傳播約1mm后在對流流內(nèi)消散，此時(shí)其局部動量接近Ar流。在沒有橫流的情況下(圖7b)，羽流上升得更高，直到其速度大致與激光的掃描速度相匹配。在它的尾跡處留下一縷煙霧，在浮力和剩余動量的作用下上升。在沒有橫流的第一行掃描期間，激光前面的大氣是清晰的，因此激光和凝固蒸汽之間的相互作用是最小的。有和沒有橫流的成像特征的相似性(圖7a, b)表明，在清潔的大氣中，橫流不會顯著改變激光-材料的相互作用，因此本文的結(jié)果在兩種情況下都適用。在島嶼掃描的后續(xù)軌跡中，情況顯然不同。在橫流的情況下，來自前道的產(chǎn)物對流離開，導(dǎo)致整個(gè)掃描過程中與第一道的工藝條件相同(圖7c)。在沒有橫流的情況下，隨著島狀掃描的進(jìn)行，由于來自之前軌跡的蒸汽和煙霧在樣品上的積累，經(jīng)常觀察到激光煙霧相互作用(圖7d)。注意，在這些條件下沒有同時(shí)進(jìn)行X線和紋影成像。

圖7:SS316樣品上空Ar大氣在5?×?5mm2島掃描時(shí)的紋影圖像，有和沒有橫流(峰值Re ~ 1400，umax~ 2.1?m?s?1)。

圖7a、b之間的相似性可歸因于蒸汽射流的高動量。其峰值速度約為幾百m/s量級，而Ar流峰值速度約為2.1 m/s，并由于層流剖面和邊界層效應(yīng)而向試樣附近減小。因此，數(shù)值模擬預(yù)測了靠近熔池的激光羽流的最小偏度或破壞。雖然橫流可能會在一定程度上掩蓋本研究中成像的一些動態(tài)，但在所有條件下都可以觀察到來自蒸汽射流和羽流的折射率梯度，這是由于其高溫和接近襯底的金屬物種含量。因此，盡管本研究中的羽流穩(wěn)定性閾值在前一節(jié)中已在靜止大氣中確定，但如果測量的空間和時(shí)間分辨率與此處使用的測量分辨率相當(dāng)，則預(yù)計(jì)羽流可以提供足夠的信息來描述具有橫流的熔池原位穩(wěn)定性。另外，靜態(tài)大氣也可以用作校準(zhǔn)過程的一部分，在啟用交叉流的情況下，可以充分詢問具有不同輸入能量密度的單次掃描的影響，然后推斷為部分規(guī)模的處理。

粉末顆粒的效果

為了可視化LVI與固體顆粒之間的相互作用，在不同的能量輸入下，使用~100 μm粉末層(直徑為15-45 μm的球形Ti-6Al-4V顆粒，手工鋪放，未在預(yù)對準(zhǔn)的Ti-6Al-4V片上壓實(shí))進(jìn)行點(diǎn)焊和線掃描。在所有實(shí)驗(yàn)中，粉末層的上表面與未加粉末的樣品的上表面處于相同的高度，以保持兩種情況下校準(zhǔn)的激光光斑直徑和測量的鎖孔深度的共同參考平面。

在3.7 MWcm?2的固定激光功率密度下，凹陷初始具有相同的鉆速，無論粉末層如何，在~350 μs后轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的鎖孔(圖8)。在初始階段，強(qiáng)烈的鉆削相互作用迅速融化、蒸發(fā)或噴射飛濺物和顆粒等。在這兩種情況下，由于鎖孔區(qū)域流體動力學(xué)的不穩(wěn)定性，穿透深度隨時(shí)間顯著波動，導(dǎo)致混亂羽流的立即形成。由于誘導(dǎo)的大氣流動，粉末顆粒從激光光斑附近不斷被夾帶。這些顆粒的一部分被并入熔池，而其余的則從粉末床中抬起。從合成圖像中可以清楚地看到，進(jìn)入可見羽流區(qū)域的粉末床附近的顆粒是由噴氣機(jī)的升力噴射出來的。當(dāng)粉末存在時(shí)，觀察到較低的滲透率(圖8c)。我們將這種穿透降低歸因于粉末情況下兩個(gè)因素的結(jié)合:i)粉末層的孔隙度和與蒸汽射流/羽流相互作用而噴射出的顆粒導(dǎo)致上部鎖孔形狀不一致，允許更大比例的入射光以更少的相互作用逸出腔體，從而降低了有效吸收率;ii)噴射出的粉末顆粒周期性地阻擋入射光，減緩了熔池中能量的積累。

圖8:高功率激光-材料相互作用對比。

圖2和圖3顯示,激光功率密度的1.3MWcm?2導(dǎo)致逐步過渡階段I - III超過3.7MWcm?2(圖8)。在這個(gè)低功率密度激光材料的相互作用顯著不同的底物只有(圖9)引入粉(圖9 b, c):粉末粒子在不斷鞏固在熔池中沒有形成一個(gè)鑰匙孔,而較慢的蒸汽射流噴射顆粒較少,導(dǎo)致大量球狀熔池。蒸汽噴射的反沖壓力引起了熔融體的側(cè)向運(yùn)動。合成圖像顯示，羽流垂直于暴露點(diǎn)的表面，表明反作用力作用于熔池的方向。熔體和羽流在激光照射下連續(xù)振蕩;這種運(yùn)動增強(qiáng)了粉末的剝蝕，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致更多粉末顆粒的摻入和熔池尺寸的增加。

圖9:低功率激光-材料相互作用對比。

這種明顯的不穩(wěn)定性可以用作用在球狀熔池表面的力來解釋。在激光入射的地方，推動表面的反沖壓力與局域馬蘭戈尼力和毛細(xì)壓力相互競爭。當(dāng)蒸汽壓較低時(shí)，向下的鉆速與液體的側(cè)向運(yùn)動相當(dāng)，導(dǎo)致凹陷呈對角線運(yùn)動。觀測到的運(yùn)動表明，大的半球形熔融體的LVI上部不穩(wěn)定，導(dǎo)致液體體積的運(yùn)動。我們假設(shè)，即使液滴在激光束下方靜止且對稱分布，任何一側(cè)的擾動都會使反沖壓力方向傾斜，從而使液滴進(jìn)一步遠(yuǎn)離中心。在此過程中，液體會加速，直到產(chǎn)生的過量LVI的恢復(fù)力使其停止。然而，液體的動量使它超過了中性點(diǎn)，從毛細(xì)作用中留下了凈恢復(fù)力。液滴加速返回，動量再次將其帶過對稱點(diǎn)，從而允許振蕩循環(huán)重復(fù)。這種振蕩不穩(wěn)定性在較低功率下進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中都是一致的，其中裸板的穿透深度并沒有迅速超過粉末層的深度。雖然光點(diǎn)照明下球形熔池的運(yùn)動并不直接適用于大多數(shù)LPBF工藝，但觀察到的動態(tài)表明，熔池中加入的總粉末質(zhì)量會影響凹陷的形態(tài)，進(jìn)而影響所有LPBF工藝的穩(wěn)定性。

圖10顯示了輸入能量密度在58-116 GJm?3范圍內(nèi)的線掃描幀。x射線圖像顯示，在激光光束平移過程中，粉末顆粒不斷地并入熔池。紋影圖像顯示，除了引導(dǎo)夾帶顆粒朝向激光束外，由蒸汽射流誘導(dǎo)的大氣流動影響了粉末的局部可用性。激光掃描速度較低時(shí)，大氣流與粉末顆粒的相互作用時(shí)間較長，而小孔溫度較高導(dǎo)致蒸汽射流速度較高;結(jié)果，附近的粒子被噴射出的比例更大，增加了熱飛濺的數(shù)量(圖10g)。此外，混沌流動和高度可變的蒸汽射流導(dǎo)致熱飛濺的噴射角度范圍很廣。相反，持續(xù)的降低與較短的相互作用時(shí)間導(dǎo)致空氣中的粒子具有更均勻的軌跡(圖10i)。

圖10:不同輸入能量密度下，有粉與無粉線掃描圖像對比。

無論粉末是否存在，觀察到的小孔形貌在定性上是相似的。在整個(gè)線掃描輸入能量密度范圍內(nèi)，粉末層中較低的質(zhì)量導(dǎo)致始終較深的穿透(圖6a)。在這兩種情況下，線性深度增加對能量密度增加的斜率是相似的。隨著輸入能量密度的增加，無論是否有粉末，羽流都遵循類似的不穩(wěn)定過程。折射率梯度似乎更強(qiáng)，略不規(guī)則的粉末由于更強(qiáng)的蒸發(fā)從加熱的顆粒。隨著輸入能量密度的增加，粉末羽流的彈射角也同樣增加，這與前壁角的增加所預(yù)期的一樣。含粉末的前壁角(圖6c)與僅含襯底的前壁角有相似的趨勢。當(dāng)能量密度略高于70 GJm?3時(shí)，達(dá)到70°角，表明粉末層降低了樣品的整體能量吸收。如前所述，上孔比裸露的襯底更寬，這減少了腔內(nèi)的激光反射，同時(shí)粉末顆粒(吸收激光能量)通常被推走，而不是被納入熔池。

本文中的可視化顯示了LPBF中蒸發(fā)動力學(xué)、液態(tài)金屬運(yùn)動和粒子行為之間的相互聯(lián)系。我們觀察到表面凹陷的行為表現(xiàn)在蒸汽射流和羽流的運(yùn)動中，這意味著系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過詢問兩者來確定?，F(xiàn)場x射線成像只能在少數(shù)能提供高能量和高強(qiáng)度x射線的光源上進(jìn)行:這項(xiàng)工作表明，羽流監(jiān)測是探測鎖孔和熔池行為的一種更普遍的替代方法。此外，我們發(fā)現(xiàn)，向不穩(wěn)定鎖孔的轉(zhuǎn)變伴隨著羽流向混沌流動的轉(zhuǎn)變，這是一個(gè)獨(dú)特的特征，可能被監(jiān)測和集成在閉環(huán)控制系統(tǒng)中。這樣的系統(tǒng)還可以利用羽流中更微妙的特征，例如隨著激光鉆速的增加，觀測到更大的折射率梯度。

紋影圖像連續(xù)幀之間的強(qiáng)度差異是該過程穩(wěn)定性的特征，這使我們能夠確定熔池演化的三個(gè)不同階段。通過這種組合分析，蒸汽和液相的強(qiáng)耦合也很明顯，這允許根據(jù)輸入能量密度量化不穩(wěn)定程度。確定的輸入能量穩(wěn)定性閾值為70 GJm?3，是LPBF處理Ti-6Al-4V的上限。輸入能量的上閾值對于其他材料不同，但可以很容易地通過紋影成像或任何其他測量折射率的技術(shù)來識別?？赡艽嬖谙鄳?yīng)的較低的輸入能量閾值:眾所周知，低能量輸入會導(dǎo)致熔池中的流體動力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致固化軌跡中的球或其他不一致，最終導(dǎo)致缺乏融合缺陷。雖然在凝固前沿附近可以觀察到這種類型的不穩(wěn)定性，但我們的實(shí)驗(yàn)裝置的放大倍率、視場和靈敏度都進(jìn)行了調(diào)整，以探測本研究中的液態(tài)-蒸汽相互作用。

由于LVI的相對不穩(wěn)定性，即熔池表面存在穩(wěn)定的凹陷，因此在I - II階段熔池中未檢測到孔隙。第三階段鎖孔不穩(wěn)定，容易坍塌，可能導(dǎo)致孔隙過多。e> 70 GJm?3大氣湍流的增加表明熔池已發(fā)展到III階段，凹陷前壁角達(dá)到~70°也證實(shí)了這一點(diǎn)。在68和74 GJm?3的情況下，這通常會導(dǎo)致多孔性，從支撐材料中可以看出。對于不穩(wěn)定閾值略高的粉末，孔隙度開始發(fā)生在73 ~ 81 GJm?3之間。液體和蒸汽流動動力學(xué)之間的相互聯(lián)系表明，可能將孔隙形成與湍流羽流中的特征聯(lián)系起來;對監(jiān)測的大面積掃描進(jìn)行切片，并使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的編碼器/解碼器架構(gòu)，可以對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的解釋，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識別和預(yù)防缺陷。

粉末的引入并沒有導(dǎo)致觀察到的凹陷形態(tài)和大氣流動的顯著差異。發(fā)現(xiàn)粉末對熔池有輕微的穩(wěn)定作用，在Ti-6Al-4V中觀察到III階段的小孔，略高于E = ~70 GJm?3，證實(shí)了所識別的閾值作為參數(shù)選擇的廣泛指導(dǎo)的有效性。當(dāng)羽流和洼地穩(wěn)定時(shí)，相對均勻的冷熱顆粒流尾隨熔池。羽流中的湍流導(dǎo)致飛濺粒子軌跡的更廣泛分布，由于更強(qiáng)的大氣流，通常具有更高的速度，以及更頻繁的粒子-射流相互作用。這些結(jié)果可以通過展示冷和熱粒子飛濺的物理基礎(chǔ)，幫助識別現(xiàn)有過程監(jiān)測系統(tǒng)的趨勢。

最后，我們的實(shí)驗(yàn)還清楚地表明，激光羽流不僅噴射出粉末顆粒，而且還夾帶附近的顆粒，將它們拉向熔池。雖然粉末床剝蝕作為LPBF中的一種現(xiàn)象已被充分記錄，但其對過程的影響直到最近才開始進(jìn)行數(shù)值研究。結(jié)合成像突出了夾帶顆粒進(jìn)入熔池，這意味著通過引入粉末可以顯著增加熔液的總體積，影響其穩(wěn)定性。我們的線掃描數(shù)據(jù)表明，激光掃描速度和功率也通過影響剝脫流與周圍顆粒相互作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間來影響傳質(zhì)。此外，紋影數(shù)據(jù)清楚地表明，激光束經(jīng)常與噴射出的蒸汽和冷凝物相互作用，特別是在高激光功率密度時(shí)，這一影響通常被忽視。在數(shù)值模型中包括這些影響可以極大地增強(qiáng)它們的預(yù)測能力，允許對過程圖進(jìn)行先驗(yàn)計(jì)算，進(jìn)一步促進(jìn)新材料和加工方法的探索。

補(bǔ)充圖1：在高級光子源的32-ID-B光束線上，帶有紋影和x射線設(shè)置的LPBF過程模擬器的照片。:L1 - SMC Pentax-A 50毫米F1.7, L2 -西格瑪DL 75-300毫米，L3 -西格瑪150-600毫米f/5-6.3, M1, M2 -取光鏡。

補(bǔ)充圖2：Ye等人對Ti-6Al-4V的時(shí)間平均吸收率測量。

補(bǔ)充圖3：典型時(shí)差幀。

補(bǔ)充圖4：鎖眼邊界檢測步驟。

補(bǔ)充圖5：測量凹陷方差與輸入能量密度的關(guān)系圖。

補(bǔ)充圖6：恒定激光功率P =322 W、直徑d = 84 μm、掃描速度u下粉末線掃描復(fù)合圖像。

補(bǔ)充圖7：激光校準(zhǔn)圖，由制造商測量(YLR-500-ACY11, IPG Photonics)。