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金属蒸汽射流控制激光粉末床增材制造中的材料再分布

摘 要

与金属增材制造（additive manufacturing/AM）相关的详细实验和金属小液滴的有限元模型（finite element modeling）分析被提出，熔池（melt pool）动力学的超高速影像显示出微滴飞溅（ejection）的主要机理（dominant mechanism）不是激光焊接（laser welding）过程中存在的激光诱导的反冲（recoil）压力，而是由于气体流动时驱动的周围气流对微颗粒的卷吸（entrainment）作用。通过激光与物质的相互作用（interaction）的仿真观察到的在强蒸汽射流的作用下带动液滴飞溅用来阐述实验结果。流体阻力（drag）分析用于补充316L不锈钢和Ti-6AL-4V粉末层的单相流动模型（single phase flow model）和对卷吸现象的解释。与气流驱动的金属颗粒的卷吸形成液滴飞溅的相似流体力学研究将在相关领域被开展。

导言

蒸汽射流的流体力学研究已经支撑众多工程与科学的实践，卷吸发生在射流与周边环境相互作用，吸入并加速周围环境气流进入气流，环境气流的流动能够使粒子延一小路径运动，这就是粒子聚集的主要（primary）传输机制。蒸汽射流带动粒子的卷吸作用已经被用来解释地理（geophysical）现象，推动（spur）新能源的基础研究，建立新材料（novel materials）的合成方法并推动各种工业发展。例如，在金属沉积（material deposition）过程中，气体射流中微米尺寸颗粒的卷吸是新等离子（microplasma）涂层（coating）科学的基础。

微米级的金属粉末在冶金学（metallurgy）有几个重要的应用（例如冷铸造（casting）），但是在更多相近的领域有更多的应用，例如磁流变抛光技术（magnetorheological polishing）、个人体温加热器和金属3D打印。在金属3D打印领域，激光粉末床增材制造的工艺正在被广泛的研究，以制造出具有独特（unique）功能（functionality）和优异机械性能（properties）的高质量、高密度（dendity）金属。使用高功率激光完全（fully）融化0~30mu;m粉末层将会带来复杂的流体动力学，包含蒸汽羽流（vapor plume）、大气（atmospheric）气体和材料的多种相互作用，这些都没有被很好的解释。在粉末融化过程中，人们经常可以直观的观察到从熔池中飞出的明亮的颗粒的飞溅，形态类似于焊接中的火花，被称作飞溅物（spatter），飞溅物在PBFAM过程中通常被认为是有害的（detrimentral）。研究表明，液滴飞溅过程中会被氧化（undergo oxidation）并发生化学成分（chemical composition）的改变，导致粉末床被不同微观结构（microtructure）和尺寸颗粒的污染（contamination）。大量的飞溅落在基板（substrate）上，在每一层融化中会引起表面粗糙度（surface roughness）的增高，增加孔隙（porosity）形成。或者增加层厚导致材料构建时缺乏融合。理解PBFAM过程中飞溅形成和一般流体和颗粒的相互作用对预测（predict）成品层质量、形态（morphology）和密度是至关重要的。

激光PBFAM中对熔池动力学和液滴飞溅的普遍接受的解释是基于对反冲压力现象的解释。当金属材料表面温度接近并超过（exceed）其蒸发（vaporization）温度时，金属蒸汽射流形成，大于10⁴pa的高反冲压力在熔池上产生向下的力，导致熔池的剧烈运动并导致液态金属从熔池中飞溅出来。至今为止，这种反冲压力模型形成了PBFAM工艺中金属熔池内材料排出（expulsion）的基础。然而，之前已经表明，通过蒸汽射流卷吸产生粉末颗粒移动（displacement）是临近（adjacdent）熔道粉末层剥离（denudation）的主要原因，该表面特征首先由Yadroitsev描述的。已知剥蚀导致的孔隙（void）结构会降低金属构件的性能（property/performance），需要谨慎选择PBFAM构建时的扫描策略，虽然之前的工作中提出了蒸汽卷吸驱动孔隙形成的证据，但是对其基础物理学和对其他可观察物（最明显就是熔化飞溅物产生）有很广泛的影响至今才有更充分的解释。

我们之前研究的中心目的是去阐述现在已经实现的PBFAM过程中材料再分配的驱动机理，从而去澄清几种缺陷（defect）现象的来源（source）。我们将证明导致颗粒飞溅的主要机制是由于蒸汽卷吸微小颗粒造成的，而不是普遍理解的反冲压力。对局部卷吸过程的影响几乎没有关注，也没有明确描述其对材料分配的影响。即使所涉及的物理学某些程度上与PBFAM技术相关，但对微粒卷吸过程有更好的理解。特别是存在强压力和温度梯度（gradient）的情况下，可以帮助阐明其他应用中的卷吸。

这里给出的实验是用316L不锈钢和钛合金（Ti-6AL-4V）金属粉末和金属基本，材料都是与PBFAM相关，我们描述与液滴飞溅物产生有关的物理影响，粉末颗粒与卷吸过程主导的周围气体的相互作用、液滴热瞬态（thermal transient）和材料飞溅过程。为了帮助阐述实验结果，我们使用多物理场有限元模型（ALE3D：使用任意拉格朗日-欧拉技术的2D和3D多物理数值模拟软件，使用混合有限元和有限元体积公式来模拟非结构网格上的流体和弹塑性响应）来模拟激光熔池的相互作用。我们讨论了实验、计算和简单的物理估计（estimates）的组合，提出了金属增材制造与其他粒子流微系统的流体力学效应整体（holistic）图。

结果与讨论

1、反冲压力产生飞溅物

熔池飞溅的潜在机制和影响已经在焊接过程中广泛研究并适合各种条件，而PBFAM的研究更为有限。焊接使用相对缓慢移动（或静止）的高能量密度的激光器，具有1mm左右的大光斑尺寸，能够在裸金属板上融化出几毫米深的熔道（channel）；PBFAM（沉积工艺）使用的是1m/s的快速扫描速度、更小的光束（beam）尺寸（约为50-200微米）去融化粉末床中数十微米的颗粒。因此两种情况下的熔池动力学可能完全不同。为了阐明（charify）差异，我们记录了激光驱动熔池运动的超高速图像序列（sequence），用于对比在平坦金属板熔化熔道和熔化金属粉末层。

图1ab显示了用两个不同参数照射（irradiated）时SS316L粉末产生飞溅的宏观（macroscopic）图。a：150W、0.5m/s；b：200W、1.5m/s，相机与扫描轨道接近（approximately）90°，以每秒100000帧收集图像，激光由左至右横向扫描（两实验在760托Ar下进行）。图1a显示出从熔池几乎垂直上升的一列液滴。图1b显示与竖直方向成大约47°飞溅类似的液滴。相反，对于图1c的裸板，相同条件下，在所示的观测范围内并没有看到飞溅，仅仅观察到大的羽流（plume）。我们假设粉末层较小的羽流是因为羽流能量损失造成的，能量损失到穿过羽流的颗粒流中，下面将详细讨论。在20ms2000帧的图像中，裸板上没有看到飞溅，相同条件下，粉末层有约20滴/ms的飞溅产生（视频1对图1ab进行描述）该结果说明了粉末在PBFAM中是飞溅产生过程的重要性，并稍后指出粒子运动的机制。

2、飞溅速度与角度

使用粒子图像测速（piv）来表征飞溅的速度大小（magnitude）。图1ef显示出120对（240帧）图像粒子平均速度的分布（profile）。对于两种情况，速度最大值出现在羽流的中心，并且向周围递减。150W，0.5m/s情况下，最大速度9.8，平均速度（mean velocity）8.3，这意味着平均速度有一个1m/s的小的水平分量（horizontal component）和8.2m/s的主要竖直分量。200W，1.5m/s的情况下，速度最大值是7.8，平均值是6.3，速度分量的分布更加均匀， 水平分量4.5，竖直分量4.4，使角度倾斜。

两个处理参数得到的飞溅角度存在很大的差异，飞溅角度取决于熔池的几何形状（geometry），其主要由激光功率和扫描速度决定。熔池蒸汽压力随着熔池表面温度峰值变化而变化，可近似为Delta;T prop; P/ u。因此，随着功率增加或者扫描速度减小，更高的蒸汽压力会出现。为了更加详细的阐述差异，使用相同的激光参数进行有限元模拟|（performe）。当激光强度足够高可以蒸发金属时，由于反冲压力一个凹陷（depression）区域在激光作用点下方形成，金属蒸汽羽流垂直于位于熔池底部的沸腾表面区域发射，正好位于扫描路径的下方。对于150W，0.5m/s，激光加热温度高并且速度慢会形成深的垂直凹陷。由于深孔壁的限制，羽流只能够从垂直方向逸出（escape），实验结果与图1a结果相同。在200 W，1.5 m / s时，反冲压力较低不足够（sufficient）形成深锁孔，但足够高以在熔池中形成凹陷（图1h）。凹陷处的高温区域比前一种情况更薄，并且主要向凹陷的前方扩散（spread）。蒸汽羽流垂直于凹陷向后方扩散，达到的最高温度受液态金属的沸腾温度（对于给定的环境压力）的限制。通过比较两种模拟情况，图1g中温度高于2000 K的液体熔体比图1h所示的更多，并且图1g中沸腾表面的长度导致了更深的熔池，比图1h中的更大。在焊接研究中也观察到随着扫描速度变高而倾斜角的增加。

图1：对于150thinsp;W, 0.5thinsp;m/s 和200thinsp;W, 1.5thinsp;m/s两种参数情况下，图ab和图cd分别为316粉末和裸板的飞溅。相机每秒记录100000帧，曝光时间8微秒，激光从左至右扫描，实验均在Ar下进行。图e，f的PIV粒子测速用来定量测量飞溅的速度。150W，0.5m/s情况下在羽流中心观测到大于9m/s的平均速度；200W，1.5m/s情况下在羽流中心观测到大于7m/s的平均速度。黑色的方向显示的是粒子的实际路径数据，橘色是插值数据。图gh显示裸板情况下对熔融凹陷熔池的模拟，箭头方向指出预期的飞溅方向。

3、从裸板上的飞溅

为了理解熔池区域液滴飞溅的形成，进行了一系列实验，并结合了增加物理复杂性的模拟。图2a-c由从100万帧/秒的高速视频帧导出的实验快照（snapshot）组成（compose），显示由于来自SS316L裸板熔池的反冲压力引起的液滴飞溅。 这里使用的激光参数是 600W，3.0m / s。由于激光照明器（illumination）关闭因此背景是暗的，从而熔池在白炽（incandescence）时看起来很亮：（a）在熔池的前部，可以观察到突起（protuberance），（b）熔池和细长颈缩之间的连接部分变薄，最后（c）直径约8微米的液滴从凹陷中心顺时针25°处脱离，速度大约是18m/s。这个特殊飞溅产生在2微秒以内完成。

为了解释实验观察到的从熔池中飞溅的液滴，我们首先模拟用垂直于表面的激光束照射的SS316L裸板，并将粉末排除（exclude）在模拟中，以便分离（dissociate）粉末对板的影响。使用的模拟参数是200W，1.5m / s。图2的中间行（def）显示出了模拟结果，其描述了飞溅形成为在激光点下方的凹陷边缘（rim）处发生的显着拓扑（topological）变化。红色区域对应于接近沸点约3300K的温度。图2d显示了在熔池前部顺时针（clockwise）45°形成的大液滴；熔化连接在图2e中变薄，并在图2f中脱离（escape）。图2g的侧视图（side view）显示出飞溅的相对位置，与板表面成约25°。该模拟与再现熔池破裂效应相关的液滴形成和飞溅机制的实验数据非常吻合。虽然这里使用的模拟参数与实验参数不同，但我们注意到在不同的功率和扫描速度下实验观察到非常相似的飞溅模式。（为什么实验参数与模拟参数不一样？）

我们注意到，复杂且强烈的动态流动是高温液体熔体经受高热梯度（high thermal gradient）的特征，如速度矢量场（vector field）所示，图2d-f中的模拟显示液体主要在凹陷的前部垂直流动，但沿侧面具有旋转分量（rotational component）（图2g），当凹陷边缘处的液体获得足够的动能（kinetic energy）以逃避表面张力（surface tension）的拉力时形成飞溅。液滴运动与蒸汽压力的强度直接相关，蒸汽反冲压力取决于沉积了多少激光能量。为了使熔融（molten）的微滴逸出，熔体的动能（动态压力）必须超过毛细管压力（capillary pressure），可以表示为

（1）

其中alpha;是表面张力，rho;L是液态金属的质量密度，R是金属液滴的曲率（curvature）半径。对于R =200mu;m和alpha;= 1.5N / m，发现SS316L熔池的逃逸速度约为1m / s，与Kaplan等人的估计值一致。随着P的增加或u的减小，温度和反冲压力也会增加，从而导致更深的凹陷。对于激光焊接的情况表明，随着激光功率的倍增，飞溅物直径（diameter）增加并且会扩大分布的范围。我们注意到，温度升高也会降低表面张力，并且降低液滴飞溅时的动能，根据等式（1），通常不会出现小于8mu;m的液滴飞溅，因为这将需要熔体流动超过（excess）5 m / s，这比我们的测量结果略大（约1-3m/s）。

图2：对比激光驱动316不锈钢基板飞溅的实验（图a-c）和模拟（d-g），显示出了很好的一致性。实验包括在顶部区域以1Mfps记录的三个实验快照，显示出液滴形成和飞溅。图a-c中，激光照明器关闭，因此在熔池和周围区域可见自发的白炽光。飞溅形成在a中的凸起，b中的颈缩，c中形成球形液滴飞溅。实验参数：P = 600 W, u = 3.0 m/s。图d-f的模拟显示出实验中的三组实验快照。图g是模拟的半透明视图，f中显示熔池前部的凹陷

资料编号：[5281]