綜述：激光粉末床熔融中飛濺物的原位檢測(cè)、生成、影響和對(duì)策

導(dǎo)讀：飛濺是激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造中一種固有的、不可預(yù)防的、不受歡迎的現(xiàn)象。飛濺行為與L-PBF的成型質(zhì)量有著內(nèi)在的聯(lián)系，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了冶金缺陷和機(jī)械性能的下降。在多激光L-PBF工藝中制造大尺寸零件時(shí)，這種影響變得更加嚴(yán)重。因此，對(duì)飛濺的產(chǎn)生和對(duì)策的研究變得更加迫切。



2022年8月，南極熊獲悉，來自中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等的研究者們?cè)凇禡icromachines》發(fā)表了一篇綜述，題目為《A Review of Spatter in Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: In Situ Detection, Generation, Effects, and Countermeasures》（《激光粉末床熔融增材制造中的飛濺物綜述：原位檢測(cè)、生成、影響和對(duì)策》）。在文章中，研究人員回顧了有關(guān)L-PBF中飛濺物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、產(chǎn)生、影響和對(duì)策，預(yù)計(jì)它將為新一代高效和智能的L-PBF系統(tǒng)提供指導(dǎo)。


△金屬制造工藝的分類：等材料制造，增材制造，減材制造

一、研究背景
在多激光L-PBF過程中，熱循環(huán)和應(yīng)力循環(huán)、熔池特性、飛濺行為和金屬蒸氣演化都與單激光PBF不同，多激光L-PBF下的飛濺檢測(cè)更加困難。由于這個(gè)原因，對(duì)L-PBF飛濺的研究變得非常緊迫。飛濺作為L(zhǎng)-PBF的副產(chǎn)品是不可預(yù)防的。

●它對(duì)成形過程是一種損害，零件和重新沉積的飛濺物會(huì)破壞原來良好的粉末層，導(dǎo)致非熔合缺陷。

●由于L-PBF的獨(dú)特性，飛濺的不良影響在逐層加工過程中會(huì)被放大。飛濺會(huì)影響粉末的后續(xù)再涂層和熔化，導(dǎo)致生產(chǎn)的零件出現(xiàn)內(nèi)部缺陷或零件無法成型。

由于飛濺物對(duì)L-PBF有很大的影響，它可以用來表示L-PBF的加工狀態(tài)。通過觀察和量化飛濺物，可以在飛濺物和零件質(zhì)量之間建立內(nèi)在的聯(lián)系，使人們能夠更全面地了解L-PBF工藝，解決穩(wěn)定性和可靠性不足的問題，使這項(xiàng)技術(shù)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。

二、激光粉末床融合飛濺物原位檢測(cè)裝置
L-PBF檢測(cè)系統(tǒng)可分為：靜態(tài)檢測(cè)（擴(kuò)散粉末和變形的成像）和動(dòng)態(tài)檢測(cè)（熔池、飛濺物和蒸汽羽流的特征）。

●激光焊接、切割和DED產(chǎn)生的飛濺與L-PBF產(chǎn)生的飛濺相似，是由激光和金屬材料之間的相互作用造成的。然而，與激光焊接、切割和DED相比，L-PBF的光斑更小（~101至102微米），熔池更�。ㄟ_(dá)100微米），壽命更短（~10毫秒），掃描速度更高（~102至103毫米/秒）。

●此外，在L-PBF中，激光與粉床和金屬部件的相互作用不止一次，導(dǎo)致飛濺物的數(shù)量和種類更多，使原位飛濺物檢測(cè)更加復(fù)雜。激光與粉床的相互作用產(chǎn)生了熔池、飛濺物和蒸汽羽流（甚至等離子體）。

飛濺可分為熱滴飛濺（主要來自熔池的不穩(wěn)定性）和冷粉飛濺（主要由保護(hù)氣體的蒸汽誘導(dǎo)夾帶驅(qū)動(dòng)）。兩者都可以用裝有照明光源的可見光照相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，并利用收集到的相關(guān)信息對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)各種研究，目前有以下方法可用于L-PBF濺射檢測(cè)：（1）可見光高速攝像機(jī)，（2）X射線視頻成像，（3）紅外視頻成像，（4）裂隙視頻成像。


△從不同的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)中獲得的特征

三、飛濺物的產(chǎn)生原理
在L-PBF中，在高能激光的作用下，金屬粉末在溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)被熔化形成熔池，然后在熔池表面溫度超過沸點(diǎn)時(shí)被汽化形成金屬蒸汽甚至等離子體煙氣。在L-PBF過程中，不同的相（固、液、汽）之間有明顯的相互作用，其中汽-固相互作用和汽-液相互作用是飛濺產(chǎn)生的主要機(jī)制。

1.飛濺的分類

L-PBF中產(chǎn)生的飛濺物具有不同的形態(tài)，各種參數(shù)影響飛濺物的產(chǎn)生。到目前為止，還沒有關(guān)于飛濺分類的共同定義。有些研究人員已經(jīng)對(duì)飛濺物展開了研究。有的研究者將飛濺分為液滴飛濺物和粉末飛濺物。飛濺的形成機(jī)制可以表現(xiàn)為熱飛濺噴射和冷飛濺噴射，前者主要由蒸汽誘導(dǎo)的反沖壓力導(dǎo)致的熔池不穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，后者主要由蒸汽誘導(dǎo)的保護(hù)氣體夾帶驅(qū)動(dòng)。還有的研究人員意識(shí)到，三個(gè)主要的飛濺源：反沖壓力、馬蘭戈尼效應(yīng)和熔池的熱效應(yīng)。這三種不同的飛濺來源導(dǎo)致了三種類型的飛濺形態(tài)。更多相關(guān)研究可以查看文末鏈接。


△L-PBF期間不同類型飛濺物的形成機(jī)制。

2.從熔池的 "液底 "噴出的液滴濺射的研究

熔池是L-PBF的一個(gè)關(guān)鍵特征。許多關(guān)于熔池飛濺的研究都是通過數(shù)值模擬完成的，這避免了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的高成本和低效率。針對(duì)這項(xiàng)研究，許多的研究者都做出了極大的努力。Khairallah等人使用三維高精度模型研究了粉末尺度上飛濺的產(chǎn)生機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在L-PBF過程中，金屬蒸汽對(duì)熔池施加壓力，導(dǎo)致液態(tài)金屬的排放。當(dāng)液態(tài)金屬被拉伸時(shí)，由于表面張力傾向于使表面能最小化，“金屬柱”變薄并分解成小液滴。Altmeppen等人提出了一種方法來模擬與時(shí)間有關(guān)的顆粒和從移動(dòng)的熔池中噴出的熱量。這個(gè)模型可以預(yù)測(cè)濺射的方向和速度，并通過評(píng)估局部激光掃描的方向和速度來確定單個(gè)顆粒的大小和溫度。為了驗(yàn)證飛濺物產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了X射線成像和高速成像來檢測(cè)飛濺物。更多相關(guān)研究可以查看文末鏈接。


△激光加工過程中Ti-6Al-4V的金屬噴濺的MHz X射線圖像

3.從基材的 "固體底座 "噴射出的粉末飛濺的研究

由于氣流的夾帶效應(yīng)，靠近激光作用區(qū)的粉末顆粒被噴出并飛濺。Ly等對(duì)激光焊接和L-PBF工藝的熔池流體力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。研究發(fā)現(xiàn)，與激光焊接相比，L-PBF中飛濺的主要原因不是激光引起的反沖壓力，而是由金屬蒸汽驅(qū)動(dòng)的環(huán)境氣流對(duì)微粒子的夾帶作用。Leung等人對(duì)缺陷和熔池進(jìn)行的高速X射線視頻成像支持Ly等人關(guān)于L-PBF過程中產(chǎn)生冷和熱夾帶飛濺的假設(shè)。Chen等人建立了一個(gè)多相流模型來研究L-PBF期間的飛濺產(chǎn)生。飛濺現(xiàn)象被證明是由金屬蒸汽和環(huán)境氣體引起的夾帶的結(jié)果，這支持了Ly等人的研究結(jié)果。更多相關(guān)研究可以查看文末鏈接。


△L-PBF中噴濺過程和蒸汽羽流與噴濺行為之間的相互作用示意圖

4.多激光-PBF制造過程中飛濺物產(chǎn)生機(jī)制的研究

基于L-PBF的多激光束已廣泛應(yīng)用于航空航天和能源領(lǐng)域中，以滿足日益增長(zhǎng)的大尺寸零件的制造需求。Andani等人使用高速攝像技術(shù)研究了雙束L-PBF過程中Al-Si10-Mg粉末的飛濺行為。他們表明，工作激光束的數(shù)量對(duì)SLM過程中的飛濺產(chǎn)生機(jī)制有很大影響。更多的工作激光束會(huì)在熔池上方產(chǎn)生更大的反沖壓力，并從熔池中噴射出更多的金屬材料。然而，沒有描述雙光束激光器和材料在重疊區(qū)域的相互作用。


△飛濺物產(chǎn)生的主要機(jī)制的轉(zhuǎn)變示意圖

四、飛濺的影響

在L-PBF中，飛濺物和金屬粉末會(huì)破壞工藝穩(wěn)定性、降低能源效率，降低了制造物的精度，并有可能損壞機(jī)器。根據(jù)目前的研究，L-PBF中飛濺帶來的缺點(diǎn)可以分為三類：

(1) 飛濺對(duì)打印加工的影響：飛濺會(huì)影響下一層的粉末再涂層，降低激光器的能量輸入效率和粉末再涂層裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性以及光學(xué)鏡片。


△飛濺物對(duì)重涂的影響


△飛濺物和其他副產(chǎn)品穿過激光流，浪費(fèi)了激光能量

(2) 飛濺對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響：飛濺不利于控制打印件的結(jié)構(gòu)（如空隙、粗糙度）和性能（如拉伸性能、氧含量）。


△顆粒的背面散射電子顯微照片，通過FIB切片顯示顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和表面氧化物（深色物質(zhì)）（a）有氧化斑點(diǎn)和（b）有氧化涂層

(3) 飛濺對(duì)粉末回收的影響：回收的粉末會(huì)夾帶飛濺顆粒，導(dǎo)致粉末質(zhì)量明顯下降。使用回收的粉末來成型零件會(huì)導(dǎo)致零件性能的降低。


△凝結(jié)物的SEM圖像。

五、飛濺物應(yīng)對(duì)措施
飛濺的不利因素包括設(shè)備、部件和粉末。有效的飛濺對(duì)策可以延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，提高部件的質(zhì)量，并提高粉末的使用率。飛濺的整個(gè)周期可分為三個(gè)部分：生成、噴射和再沉積。

●在產(chǎn)生階段，可以通過優(yōu)化激光體積能量密度（VED）、激光束模式和建筑室的壓力來抑制飛濺的產(chǎn)生。

●在噴射和再沉積階段，應(yīng)用保護(hù)氣體流來清除粉末床上方運(yùn)動(dòng)的飛濺物。

六、總結(jié)
此綜述總結(jié)了關(guān)于L-PBF中的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、產(chǎn)生、影響和防止飛濺的對(duì)策。

(1) L-PBF期間飛濺物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)方法是基于飛濺物和熔池的物理特性（軌跡和亮度）。軌跡和亮度的差異導(dǎo)致了檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器和光源的不同。。由于與熔池相比，飛濺物在三維空間中的軌跡復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)，檢測(cè)需要多個(gè)傳感器和復(fù)雜的算法。與明亮的高溫熔池相比，飛濺物由明亮的熱液滴飛濺物和黑暗的冷粉末飛濺物組成。如果沒有外部光源，很難捕捉到暗色冷粉末飛濺的運(yùn)動(dòng)。因此，必須應(yīng)用可見光源來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類飛濺物的檢測(cè)。

(2) L-PBF中飛濺的產(chǎn)生機(jī)制：飛濺可分為來自熔池 "液基 "的液滴飛濺和來自基材 "固基 "的粉末飛濺。- 來自熔池 "液基 "的液滴飛濺。液滴飛濺源于熔池的不穩(wěn)定性。馬蘭戈尼效應(yīng)和在熔池表面產(chǎn)生的金屬蒸汽反沖壓力導(dǎo)致飛濺物從熔池的 "液體基地 "噴出。- 粉末飛濺來自基體的 "固體底座"。粉末飛濺是由金屬蒸汽驅(qū)動(dòng)的環(huán)境氣體流的夾帶效應(yīng)引起的。在高速運(yùn)動(dòng)的金屬蒸氣附近產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，周圍的惰性保護(hù)氣體將被 "夾帶 "到熔池附近，促使粉末飛濺從基片的 "固體底座 "噴出。

(3) L-PBF過程中的飛濺影響：飛濺不僅對(duì)設(shè)備和零件的質(zhì)量有負(fù)面影響，而且對(duì)粉末的整個(gè)生命周期也有影響。因此，飛濺對(duì)當(dāng)前的L-PBF制造和后續(xù)的L-PBF制造都有很大影響。對(duì)設(shè)備來說，激光光路將被噴出的飛濺物阻擋，而刮刀將被重新沉積的飛濺物損壞。而且，重新沉積的飛濺物會(huì)導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的惡化。

(4)L-PBF中的飛濺對(duì)策：對(duì)于飛濺的整個(gè)周期（產(chǎn)生-噴射-再沉積），飛濺對(duì)策分為飛濺產(chǎn)生抑制和飛濺清除。通過優(yōu)化激光體積能量密度（如提高掃描速度、降低激光功率、降低層厚、增加激光光斑）、激光束模式（貝塞爾光束）和建筑室的壓力，可以抑制飛濺的產(chǎn)生�？梢圆捎媚�擬仿真方法（CFD和DEM）和全尺寸的幾何模型來優(yōu)化流檔結(jié)構(gòu)。在粉床中心應(yīng)用一定值的高速氣流（反Coanda效應(yīng)），極大地提高了飛濺物的清除效率。

七、展望未來
未來的研究方向 作為金屬AM的主要技術(shù)，L-PBF正朝著更高的效率、精度、速度和大尺寸零件的制造發(fā)展。然而，在L-PBF過程中，飛濺對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響。以下是研究人員整理的L-PBF飛濺行為的研究趨勢(shì)：

(1)多激光器下飛濺行為的研究。多激光器的協(xié)同作用一直是實(shí)現(xiàn)大尺寸零件更高效制造的主要解決方案。然而，由于金屬蒸氣的增強(qiáng)、馬蘭戈尼效應(yīng)和多激光互動(dòng)下的夾帶，飛濺的機(jī)制變得更加復(fù)雜。此外，每個(gè)激光器都會(huì)引起 "液態(tài) "和 "固態(tài) "噴出的飛濺物，使用多個(gè)激光器，飛濺物的數(shù)量會(huì)急劇增加。由于大尺寸的建造室，飛濺物更難被氣體流動(dòng)所清除。因此，對(duì)多光束制造中飛濺物的研究變得更加迫切。

(2) 提高原位濺射檢測(cè)的質(zhì)量。可見光高速相機(jī)和X射線成像技術(shù)在飛濺檢測(cè)中的結(jié)合，與飛濺檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)相吻合。兩種方法的結(jié)合使我們能夠從內(nèi)部（熔池）到外部（粉床）研究飛濺行為，并獲得更多關(guān)于飛濺行為的信息。多傳感器系統(tǒng)在飛濺物的研究中是不可或缺的，在現(xiàn)有四眼傳感器的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)大傳感器的數(shù)量。

(3) 利用人工智能進(jìn)行信息處理。多傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量可能會(huì)隨著溫度、輻射強(qiáng)度 、光強(qiáng)信息、聲學(xué)信號(hào)以及熔池和飛濺物的圖像等數(shù)據(jù)源的加入而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)（有監(jiān)督、半監(jiān)督、無監(jiān)督）對(duì)于有效處理多源和異質(zhì)數(shù)據(jù)是必要的。

(4) 飛濺物的對(duì)策。目前，常用模擬方法來研究飛濺物的對(duì)策，模擬中使用的原始數(shù)據(jù)來自于其探測(cè)。提高檢測(cè)信息的全面性和準(zhǔn)確性，有利于飛濺物對(duì)策模擬的實(shí)際應(yīng)用。(5) 商用L-PBF設(shè)備。一些公司（如Concept laser、EOS、SLM solutions）已經(jīng)開發(fā)了L-PBF制造過程中檢測(cè)熔池的系統(tǒng)，但設(shè)備中仍缺乏飛濺檢測(cè)。由于L-PBF中復(fù)雜的飛濺行為和嚴(yán)重的負(fù)面影響，有必要通過使用動(dòng)態(tài)控制來盡可能多地去除飛濺。增加一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)飛濺檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流場(chǎng)控制的動(dòng)態(tài)反饋。

原文鏈接： https://doi.org/10.3390/mi13081366